L'essentiel de mon travail de recherche porte sur l'étude des instabilités thermoconvectives en convection mixte. Il comporte aussi bien des aspects expérimentaux que numériques.Dès qu'un fluide est chauffé, en présence ou non d'un écoulement forcé, des instabilités apparaissent en fonction des différents paramètres (thermiques, opératoires, géométrie,..). Pour ce qui est des dispositifs parcourus par un écoulement de convection mixte, la bibliographie est très riche concernant les écoulements de fluides tel que l'air mais reste limitée pour tout ce qui est écoulement d'eau et surtout dans les configurations avec une condition aux limites de flux imposé. Récemment, ces études ont suscité un intérêt pour les applications industrielles telles que la CVD et les échangeurs de chaleur en général et certains phénomènes naturels tels que la météo. Faisant suite à une série d'études d'écoulements de convection mixte, notamment en conduite cylindrique soumise à un flux uniforme à la paroi (coexistence de gradients thermiques horizontal et vertical), rectangulaire avec un gradient thermique horizontal et rectangulaire avec un gradient thermique vertical ; dans ce dernier cas, le rapport d'aspect considéré était égal à 2 ce qui a introduit des effets de bords non négligeables sur le développement des instabilités. L'objectif de mon travail était de comprendre le déclenchement des instabilités dans le cas du gradient thermique vertical sans subir les effets de bords. Ainsi, j'ai étudié l'écoulement de convection mixte dans un canal horizontal, à section rectangulaire, de grand rapport d'aspect transversal (B=10), chauffé uniformément par le bas à flux constant pour les paramètres de fonctionnement suivants : 20 ≤ Re ≤ 200, 0 ≤ Ra ≤ 106, Pr = 7. Les techniques de visualisation que j'ai mises en place m'ont permis de mettre en évidence l'existence de deux mécanismes d'initiation des rouleaux longitudinaux dans ce type de configuration. Pour les faibles valeurs du nombre de Rayleigh, les rouleaux sont initiés le long des parois latérales et se propagent progressivement jusqu'à envahir toute la section droite par un effet de cascade visqueuse. Au-delà d'une valeur critique du nombre de Rayleigh, de nombreuses paires de rouleaux apparaissent simultanément à une même abscisse, dans la zone centrale de la section droite, indépendamment du premier mécanisme grâce à une instabilité du type Rayleigh Bénard. Ces deux mécanismes d'initiation ont été observés expérimentalement et numériquement. La condition de flux imposé à la paroi basse fait que l'établissement thermique n'est jamais atteint ; nous assistons dans ce cas à une évolution longitudinale du régime d'écoulement qui peut s'étaler le long du canal. Ainsi, j'ai mis en évidence quatre zones d'écoulement : une zone I d'entrée ou de formation des rouleaux ; une zone II établie où les rouleaux longitudinaux ont envahi toute la section droite, ces rouleaux sont stationnaires ; une zone III correspondant au régime déstabilisé où les rouleaux adoptent un comportement chaotique et enfin la zone IV qui correspond au régime turbulent, les rouleaux ne sont plus identifiables. J'ai déterminé en fonction des paramètres de contrôle les longueurs caractéristiques pour les différentes zones et proposé des corrélations permettant de les calculer en fonction des nombres de Reynolds et de Rayleigh. Pour l'analyse thermique de ce type d'écoulement, j'ai développé et exploité une technique de fluorescence induite par plan laser (PLIF) pour déterminer le champ thermique dans les différentes sections transversales du canal pour les différentes gammes des paramètres. Cette caractérisation a également été effectuée numériquement. Les champs de température obtenus dans les différentes sections droites fluide ont permis la détermination du transfert de chaleur, notamment le nombre de Nusselt. J'ai déterminé le nombre de Nusselt à la paroi chauffée, moyenné dans la direction transversale Y et représenté sa variation selon la direction longitudinale X pour diverses valeurs du nombre de Rayleigh et de Reynolds. On retrouve la signature des deux mécanismes d'initiation au travers du profil longitudinal du nombre de Nusselt. On peut observer que le transfert convectif est fortement accru en convection mixte par rapport à la convection forcée pure, d'un rapport de 5 à 10 selon les valeurs des nombres de Reynolds et de Rayleigh. L'ensemble des résultats expérimentaux que j'ai obtenus ont permis, en fonction des nombres de Reynolds et de Rayleigh, l'établissement de corrélations du nombre de Nusselt, valables en convection mixte pour ce type d'écoulement. Ces corrélations ont été établies pour le régime d'entrée et le régime établi. La PLIF semble être une technique performante pour la mesure de la température du fluide. L'ensemble de ces résultats ont été rédigés en deux articles et ont été soumis pour publication.

Plusieurs études tant numériques qu'expérimentales font état de la présence d'instabilités thermiques dans des films liquides chauffés uniformément par le bas pour des conditions aux limites et d'écoulements particuliers. La présence de ces instabilités modifiera les transferts thermiques associés. Le sujet de ce travail de thèse consiste à étudier numériquement les instabilités thermoconvectives d'un écoulement laminaire tridimensionnel de convection mixte dans un canal horizontal à surface libre. Les variations de la tension de surface avec la température (effet Marangoni ou effet thermocapillaire) sont prises en compte. Bien que d'un intérêt certain pour de nombreuses applications industrielles, cette situation a été très peu étudiée d'un point de vue académique dans la configuration considérée ici. Dans cette de configuration plusieurs types de structures thermoconvectives sont susceptibles d'apparaître. Lorsque les forces induites par les courants de convection naturelle, forcée et thermocapillaire sont du même ordre de grandeur, les premiers résultats montrent un développement des instabilités sous forme de rouleaux convectifs longitudinaux stationnaires semblables à ceux rencontrés pour des écoulements de type Poiseuille-Rayleigh-Bénard. A notre connaissance, c'est la première fois que l'écoulement de convection de type Poiseuille-Rayleigh-Bénard associé aux effets Marangoni est étudié. Le nombre et la distribution spatiale des rouleaux convectifs le long du canal dépendent des conditions de l'écoulement. Nous proposons une étude numérique pour ces conditions particulières d'écoulement pouvant conduire à des instabilités avec une évaluation de leur effet sur les transferts de chaleur. Les équations de Navier-Stokes et de l'énergie sont résolues numériquement par la méthode de volumes finis en prenant en compte les effets thermocapillaires. Les résultats présentés concernent l'influence des paramètres contrôlant l'écoulement (nombres de Reynolds, de Rayleigh, de Biot, de Marangoni et le rapport de forme) sur les motifs de l'écoulement et les échanges thermiques. Dans une seconde partie du travail, complémentaire à la première, une analyse de stabilité linéaire de l'écoulement dans un canal ouvert à surface libre d'extension latérale infinie est réalisée en utilisant la méthode spectrale de type collocation Chebyshev pour résoudre un système aux valeurs propres. Les diagrammes de stabilité déterminant les seuils des paramètres conduisant à l'instabilité thermoconvective ont été obtenus et analysés, ainsi que les structures spatiales associées.

LE TRAVAIL QUE NOUS PRESENTONS DANS CE MEMOIRE EST UNE CONTRIBUTION A L'ETUDE DE LA STRUCTURE D'UN ECOULEMENT DE PANACHE THERMIQUE BIDIMENSIONNEL SE DEVELOPPANT DANS UN CANAL VERTICAL. L'ETUDE EST STRUCTUREE AUTOUR D'APPROCHES NUMERIQUES ET EXPERIMENTALES COMPLEMENTAIRES. LA PREMIERE PARTIE EST CONSACREE A UNE SYNTHESE DE TRAVAUX THEORIQUES ET EXPERIMENTAUX QUI TENTENT D'ANALYSER ET DE DECRIRE LES CARACTERISTIQUES DES ECOULEMENTS DE PANACHES THERMIQUES EN MILIEU LIBRE OU EN INTERACTION AVEC L'ENVIRONNEMENT. DANS LA DEUXIEME PARTIE, NOUS PRESENTONS LE DISPOSITIF EXPERIMENTAL MIS AU POINT POUR ETUDIER LES CARACTERISTIQUES DE L'ECOULEMENT. UNE ETUDE DETAILLEE DES CHAMPS THERMIQUES MOYENS ET FLUCTUANTS MESURES DANS NOTRE DISPOSITIF, NOUS PERMET DE METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DES CONDITIONS AUX LIMITES GEOMETRIQUES ET THERMIQUES SUR LA STRUCTURE DU PANACHE. LA TROISIEME PARTIE ENFIN, DECRIT L'APPROCHE NUMERIQUE UTILISEE POUR RESOUDRE LES EQUATIONS DE CONVECTION NATURELLE, DONT LES CONDITIONS AUX LIMITES PROVIENNENT DE NOS EXPERIMENTATIONS. UNE ETUDE DE STABILITE DE L'ECOULEMENT EST EFFECTUEE PAR LA SUITE, ET LES RESULTATS SONT COMPARES A CEUX DE L'ANALYSE DE STABILITE LINEAIRE.

Dans le contexte énergétique actuel, le développement de l'énergie solaire passe par son développement à grande échelle en milieu urbain. Les solutions actives et intégrées telles que les double-façades photovoltaïques permettent d'une part d'envisager une valorisation de la chaleur et d'autre part de valoriser l'enveloppe des bâtiments en tant que surface de captation. De plus, cette configuration limite la perte de rendement et l'accélération du vieillissement liées à la surchauffe des cellules. En effet, les composants photovoltaïques sont séparés du bâtiment par une lame d'air et la convection naturelle développée dans cet espace favorise l'évacuation de la chaleur absorbée par les panneaux. Cependant, le comportement global d'une double-façade photovoltaïque est très complexe et encore mal compris. Cette thèse se focalise sur l'expérimentation du phénomène de la convection naturelle. Un banc d'essais, développé dans le cadre de la thèse de Daverat, modélise la double-façade par un canal vertical avec chauffage pariétal. Le fluide d'étude est de l'eau afin de s'affranchir du rayonnement entre parois et d'étudier le couplage conduction-convection. Le banc d'essais est constitué d'un canal vertical de 65cm de haut, chauffé à une densité de flux uniforme, plongé dans une cellule de 1,5m de haut remplie d'eau. L'écoulement est observé par des mesures de densité de flux de chaleur, de température pariétale et de vitesse, ces dernières étant réalisées par vélocimétrie par images de particules et par vélocimétrie laser Doppler. Deux configurations de chauffage sont étudiées : symétrique et asymétrique. Pour l'étude de la configuration avec un chauffage symétrique, les données expérimentales issues du travail de thèse de Daverat sont analysées par une approche zonale. Un découpage du canal est proposé et une analyse des ordres de grandeur permet de comprendre les observations expérimentales. Ainsi, cette analyse se focalise sur le transfert thermique aux parois, l'évolution de la pression dans le canal et sur les fluctuations, en particulier, sur l'évaluation du terme croisé du tenseur de Reynolds. La configuration d'un chauffage asymétrique est étudiée expérimentalement pour la phase de démarrage et le régime stationnaire. Pour la phase de démarrage, la caractérisation des premières heures à partir de la mise en chauffage de la paroi est réalisée en termes de température pariétale, de vitesse et de comportement bi-/tri-dimensionnel de l'écoulement. Un écoulement de retour de grande échelle est mis en évidence. L'impact de la stratification thermique externe du canal est également étudié. Pour le régime stationnaire, les analyses sont réalisées sur des données pour lesquels le régime est considéré établi. Les comportements thermique et dynamique sont étudiés et mettent en évidence deux états distincts. Des écoulements de retour sont également observés. Enfin, les influences du nombre de Prandtl et de l'écartement du canal sont discutées.

Ce travail expérimental concerne l'étude des écoulements d'air au sein de canaux ondulés représentant les surfaces ailettées d'échangeurs de chaleurs compacts aéronautiques. L'objectif de cette étude est de comprendre et d'analyser les mécanismes dynamiques et thermiques qui se développent au sein de ces géométries complexes. Une attention toute particulière a été portée sur la caractérisation des phénomènes de transferts aux parois. Les résultats montrent l'influence de paramètres géométriques adimensionnels sur l'organisation de l'écoulement interne : facteur d'écartement, facteur d'ondulation et déphasage. L'écoulement est le siège du développement de couches limites caractérisées par des points de décollement et de recollement successifs. Ces phénomènes sont à l'origine de forts gradients des frottements pariétaux en bonne corrélation avec les variations tout aussi importantes des échanges de chaleur locaux. Des lois empiriques sont proposées pour des forts nombres de Reynolds. L'analyse fine des résultats permet de proposer une géométrie optimale. Ces travaux montrent aussi que l'écoulement moyen et fluctuant est établi au-delà de la 4ème période d'ondulation. Le développement des structures turbulentes et le niveau de turbulence sont indépendants du taux de turbulence initial, mais dépendent étroitement des dimensions géométriques du canal ondulé et du régime d'écoulement interne.

L'objectif de cette étude est de caractériser les transferts de masse et de chaleur dans un écoulement de canal, entièrement généré par l'injection d'un fluide à travers une paroi poreuse, située en vis-à-vis d'une paroi imperméable. Ce travail est relatif au problème du réchauffement de parois soumises au givre, mais est également proche, de par la configuration et de par l'injection pariétale envisagée, des modélisations de la sublimation du propergol solide dans les moteurs de fusée. Un modèle analytique et des analyses d'ordre de grandeur permettent de prédire certaines tendances de la couche limite thermique. Des simulations numériques basées sur un modèle RANS du second ordre ont été réalisées. La paroi poreuse est modélisée par une répartition uniforme de termes sources dans le système d'équations. Nous avons observé l'existence d'une zone locale où les fluctuations de vitesse sont rapidement amplifiées et analysé les mécanismes de production de la turbulence. La transition turbulente est à l'origine d'une augmentation des transferts thermiques au sein du fluide et donc de la paroi imperméable dont on veut contrôler la température. Une étude expérimentale réalisée à l'aide d'un système PIV, d'une sonde fil chaud et d'un thermomètre à fil froid a montré l'influence des caractéristiques microstructurales de la matrice poreuse et du nombre de Reynolds d'injection sur les transferts de masse et de chaleur. On a pu ainsi observer des écoulements constitués de fluctuations faiblement énergétiques et à grandes échelles et des écoulements turbulents pleinement développés