L'OBJET DE LA PRESENTE ETUDE EST DE PROPOSER UNE NOUVELLE METHODE DE SIMULATION NUMERIQUE DES ECOULEMENTS DE CONVECTION NATURELLE DANS LES THERMOSIPHONS. LA MOTIVATION DE CE TRAVAIL EST L'UTILISATION DE CETTE METHODE PASSIVE DE REFROIDISSEMENT A L'HABITAT. DANS CETTE OPTIQUE, NOUS AVONS OPTE POUR UNE METHODE MIXTE DE DISCRETISATION SPATIALE: COLLOCATION TCHEBYCHEV ASSOCIEE AUX METHODES HERMITIENNES D'ORDRE 4. LE PROBLEME DE LA CAVITE CARREE DIFFERENTIELLEMENT CHAUFFEE A SERVI DE TEST DE FIABILITE DE L'ALGORITHME SEMI-IMPLICITE QUE NOUS AVONS DEVELOPPE POUR RESOUDRE LES EQUATIONS DE BOUSSINESQ-OBERBECK EN VARIABLE PRIMITIVE. L'ALGORITHME DE PERMEABILITE FICTIVE EST UTILISE AFIN D'ASSURER L'INCOMPRESSIBILITE. UNE SECONDE ETAPE DE VALIDATION EST MENEE POUR LE CANAL CHAUFFE SYMETRIQUEMENT A FLUX FIXES EN RECHERCHANT SIMULTANEMENT LES MEILLEURES CONDITIONS AUX LIMITES AUX OUVERTURES DU CANAL. L'ETUDE COMPLETE DES CINQ SITUATIONS EXTREMES DE CHAUFFAGE DES PLAQUES A ALORS ETE ENTREPRISE. A L'ISSUE DE CELLE-CI, NOUS PROPOSONS UNE NOUVELLE DESCRIPTION DE L'EFFET CHEMINEE. LE RENVERSEMENT DE L'ECOULEMENT ASCENDANT EST ETUDIE EN PRECISANT SON SEUIL D'APPARITION, CELUI-CI CORRESPOND A UNE BIFURCATION SUPERCRITIQUE. DE PLUS, DANS CE CONTEXTE, DES PHENOMENES INSTATIONNAIRES ONT ETE OBSERVES. CES DERNIERS SONT LIES A UNE COMPETITION ENTRE LE DEVELOPPEMENT DE LA COUCHE LIMITE ET CELUI DE LA LARGEUR DE LA ZONE DE RENVERSEMENT. CETTE COMPETITION EST CARACTERISEE PAR UNE EJECTION PERIODIQUE DE LA ZONE DE RECIRCULATION

CETTE THESE CONCERNE L'ETUDE NUMERIQUE DE LA CONVECTION NATURELLE THERMOSOLUTALE, OU DES GRADIENTS HORIZONTAUX DE TEMPERATURE ET DE CONCENTRATION SONT IMPOSES AUX PAROIS VERTICALES D'UNE ENCEINTE FERMEE. CETTE CONFIGURATION SE REFERE AU COUPLAGE POUVANT AVOIR LIEU LORS DU CHANGEMENT DE PHASE DANS DES SYSTEMES BINAIRES. ON ANALYSE L'INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES QUI CARACTERISENT LE PROBLEME SUR LES TRANSFERTS DE CHALEUR ET DE MASSE, AINSI QUE SUR LA STRUCTURE DE L'ECOULEMENT. DEUX SITUATIONS SONT ENVISAGEES. DANS LA PREMIERE, LES TEMPERATURES ET LES CONCENTRATIONS IMPOSEES AUX PAROIS VERTICALES DE LA CAVITE SONT CONSTANTES ET UNIFORMES, CE QUI PERMET L'ETUDE DU REGIME PERMANENT: UNE CORRELATION ORIGINALE POUR LE TRANSFERT DE MASSE EST ETABLIE. LA DECROISSANCE DU TRANSFERT DE CHALEUR AVEC L'ACCROISSEMENT DU RAPPORT DES FORCES DE VOLUME A NOMBRE DE LEWIS ELEVE EST MISE EN EVIDENCE, ET RELIEE A LA STRUCTURE MULTICELLULAIRE DE L'ECOULEMENT. LA SECONDE CONFIGURATION REPRESENTE LE PROBLEME DE LA FUSION D'UN SOLIDE PUR DANS UN LIQUIDE BINAIRE: L'EVOLUTION AU COURS DU TEMPS DE LA STRUCTURE DE CET ECOULEMENT NON STATIONNAIRE EST ANALYSEE. DANS LE CAS PARTICULIER OU LES FORCES DE VOLUME (THERMIQUE ET SOLUTALE) SONT EGALES ET OPPOSEES, ON MONTRE L'EXISTENCE D'UN SEUIL POUR LE NOMBRE DE RAYLEIGH EN DECA DE LAQUELLE LA SOLUTION DIFFUSIVE EST STABLE MEME DANS UNE COUCHE VERTICALE. LA VALEUR CRITIQUE EST DETERMINEE EN FONCTION DU NOMBRE DE LEWIS PAR UNE ETUDE DE STABILITE LINEAIRE, ET CONFIRMEE NUMERIQUEMENT. PAR AILLEURS, ON MONTRE QUE LA PRESENCE D'UN MAXIMUM DE DENSITE CARACTERISANT L'EAU ET LES SOLUTIONS AQUEUSES INFLUENCE FORTEMENT LA STRUCTURE D'ECOULEMENT DANS LE CAS DE SOLUTIONS DILUEES, AUSSI BIEN DANS LE CAS DE LA CONVECTION THERMIQUE QUE DANS LE CAS THERMOSOLUTAL

LE PRESENT MEMOIRE PROPOSE UNE ETUDE DE L'ECOULEMENT LAMINAIRE EN CONVECTION NATURELLE ET MIXTE DANS UN CANAL VERTICAL BIDIMENSIONNEL FORME DE DEUX PLAQUES PLANES, VERTICALES, PARALLELES ET CHAUFFEES A FLUX CONSTANT. LES PARAMETRES DE L'ECOULEMENT SONT MIS EN EVIDENCE A PARTIR DE LA RESOLUTION, PAR UNE METHODE SEMI-ANALYTIQUE, DES EQUATIONS DE CONVECTION MIXTE, EN REGIME ETABLI. LES TRANSFERTS PARIETAUX AINSI QUE LES PROFILS DE VITESSE ET DE TEMPERATURE DANS LE THERMOSIPHON SONT CALCULES EN CONVECTION NATURELLE PAR UNE METHODE NUMERIQUE AUX DIFFERENCES FINIES. LA STRUCTURE DE L'ECOULEMENT ET LE ROLE MOTEUR DE LA PRESSION MOTRICE SONT DISCUTES EN FONCTION DES VALEURS DU NOMBRE DE GRASHOF ET DU FACTEUR DE DISSYMETRIE DE FLUX DE CHALEUR PARIETAL. LES RESULTATS NUMERIQUES SONT DE MEME VALIDES PAR COMPARAISON AVEC DES MESURES EXPERIMENTALES EFFECTUEES SUR DEUX DISPOSITIFS. LE NOMBRE DE REYNOLDS DE L'ECOULEMENT ET LES TRANSFERTS CONVECTIFS PARIETAUX SONT CALCULES DANS LA ZONE DE DEVELOPPEMENT DES COUCHES LIMITES, EN CONVECTION MIXTE, AVEC LE MEME TYPE DE METHODE NUMERIQUE. TROIS CAS SONT ENVISAGES: CONVECTION FORCEE FAVORISANT LA CONVECTION NATURELLE, CONVECTION FORCEE CONTRARIANT LA CONVECTION NATURELLE AVEC ECOULEMENT RESULTANT ASCENDANT OU DESCENDANT. LE PROBLEME DU BLOCAGE OU DU RENVERSEMENT DE L'ECOULEMENT EST DISCUTE DANS LE CAS OU LA CONVECTION FORCEE ET LA CONVECTION NATURELLE AGISSENT EN SENS CONTRAIRE L'UNE DE L'AUTRE. LES RESULTATS THEORIQUES DE L'ETUDE SONT APPLIQUES A LA MODELISATION D'UN SYSTEME PASSIF DE CLIMATISATION PAR EVAPORATION D'EAU DANS UNE CIRCULATION NATURELLE D'AIR. CE TYPE DE REFROIDISSEMENT TROUVE UNE APPLICATION INTERESSANTE DANS LES PAYS AU CLIMAT CHAUD ET RELATIVEMENT SEC

Dans ce manuscrit on a considere la convection naturelle dans une enceinte rectangulaire verticale simulant un thermosiphon. Les equations qui regissent ce phenomene ont ete resolues par une approche numerique, basee sur la methode des volumes finis en utilisant le code Fluent et le mailleur Gambit. Un premier travail de validation a ete mene en comparant notre travail avec ceux d'autres auteurs. Par la suite, on a fait varier le fluide de travail, la longueur et la position de l'ailette, le solide des parois ainsi que le gradient de temperature applique. L'influence de ces parametres sur les champs de temperature, la densite de flux de chaleur et le nombre de Nusselt moyen a ete ainsi consideree et les conditions optimales qui maximalisent les transferts de chaleur determinees.

Ces travaux de doctorat rapportent une étude des transferts de chaleur et de masse induits par convection naturelle et effet Soret en milieux poreux et fluide. La configuration géométrique est une cavité cylindrique concentrique soumise à des conditions aux frontières thermiques et solutales de type Neumann (flux constants de chaleur et de concentration) et Dirichlet (température et concentration constantes imposés), alors que les surfaces horizontales sont maintenues adiabatiques. En premier lieu, nous avons utilisé plusieurs méthodes numériques et analytiques pour l’étude des effets des paramètres de contrôle (nombre de Rayleigh, nombre de Lewis, nombre de Prandtl (pour le cas fluide), rapport des forces volumiques, rapport des rayons et rapport de forme de la cavité) sur la structure de l’écoulement et sur les transferts de chaleur et de matière au sein du système. Par la suite et pour le cas où les forces de volume sont de mêmes intensités mais de sens opposé, l’étude d’instabilité nous a permis de prédire le seuil critique de déclenchement de la convection en fonction des paramètres de contrôle.

L'auteur étudie numériquement la convection naturelle thermique, bidimensionnelle et laminaire d'un fluide newtonien se développant dans un thermosiphon dont les parois sont des plaques planes ou des surfaces hyperboliques, soumises à des densités de flux de chaleur égales et constantes ou maintenues à une temperature constante. Dans une première étape, l'auteur fait une étude comparative entre un modèle utilisant les approximations de la couche limite et le code de calcul SIMPLER en considérant le cas du thermosiphon constitué de deux parois planes verticales. Lorsque les parois du thermosiphon sont des surfaces hyperboliques les équations de transfert adimensionnelles, écrites dans un système de coordonnées elliptico-cylindriques, sont résolues à l'aide de la méthode des volumes de contrôle associé au schéma de la loi de puissance de Patankar. Les influences du nombre Grashof, du facteur de courbure et de la demi-hauteur sur les champs des températures et des vitesses, les transferts de chaleur et les valeurs des grandeurs de sortie sont analysés.