La synthèse bibliographique porte principalement sur une configuration fortement documentée : l'écoulement entre plaques planes présentant un élargissement brusque sur une face. Une méthode expérimentale permettant de déterminer le coefficient d'échange local par convection à la surface d'une paroi thermiquement épaisse est ensuite présentée. Les conditions expérimentales de température sont appliquées comme conditions aux limites à un modèle numérique de la paroi. La résolution de l'équation de la chaleur dans ce modèle permet d'obtenir la densité locale de flux de chaleur échangée à la surface soumise à l'écoulement. En pratique, la distribution de température de surface est obtenue par thermographie infrarouge en utilisant une méthode de soustraction d'images thermiques. Cette méthode est validée dans le cas de l'écoulement entre plaques planes présentant un élargissement brusque sur une face. Des résultats complémentaires permettent de mieux comprendre l'influence des caractéristiques de l'écoulement en amont de l'élargissement sur le transfert de chaleur convectif en aval. En dernier lieu, cette méthode a été appliquée au cas de l'écoulement dans une jonction en t avec séparation des courants, en s'intéressant au transfert de chaleur dans la branche latérale. La comparaison des cartes du coefficient d'échange par convection aux champs moyens des vitesses obtenus par P.I.V. a permis d'associer les différentes zones du transfert de chaleur à celles de l'écoulement. Les influences respectives du rapport des débits et de la vitesse dans la branche latérale sont détaillées.

NOUS PRESENTONS UNE ETUDE DE TRANSFERT DE CHALEUR OU DU COEFFICIENT DE TRANSFERT "SOLIDE-FLUIDE", EN REGIME INSTATIONNAIRE, DANS UN CONDUIT PARCOURU PAR UN ECOULEMENT LAMINAIRE OU TURBULENT, LA FACE EXTERNE DE LA PAROI ETANT SOUMISE A UNE CONDITION DE FLUX "GENERALISEE". ON PROPOSE ALORS UNE APPROCHE ANALYTIQUE POUR L'ETUDE DE L'ASPECT SYSTEME D'UN ECHANGEUR AINSI QU'UNE ETUDE NUMERIQUE PAR DIFFERENCES FINIES RELATIVE AU TRANSFERT LOCAL DE LA CHALEUR EN REGIME INSTATIONNAIRE. LE TRAVAIL EXPERIMENTAL REPOSE SUR LA MISE EN OEUVRE D'UNE PROCEDURE DE DETERMINATION DU COEFFICIENT DE TRANSFERT PAROI-FLUIDE ET DE SES VARIATIONS SPATIO-TEMPORELLES PAR THERMOGRAPHIE INFRAROUGE

DEFINITION D'UNE ANALOGIE ENTRE TRANSFERTS DE CHALEUR ET QUANTITE DE MOUVEMENT TENANT COMPTE DES CARACTERISTIQUES PROPRES AU JET PARIETAL. ETUDE EXPERIMENTALE POUR DES NOMBRES DE REYNOLDS DE 7000 A 60000. DETERMINATION DU CHAMP DE VITESSES ET DU COEFFICIENT DE FROTTEMENT. REPARTITION DES TEMPERATURES LE LONG DE LA PAROI. ETUDE DE LA COUCHE LIMITE THERMIQUE. DETERMINATION DU NOMBRE DE NUSSELT. INTERPRETATION THEORIQUE DES RESULTATS

CE TRAVAIL A POUR OBJET L'ANALYSE DU COUPLAGE CONDUCTION-CONVECTION FORCEE EN REGIME THERMIQUE VARIABLE, DANS LE CAS D'UN ECOULEMENT FLUIDE ENTRE PLAQUES PARALLELES EPAISSES. IL S'AGIT DE PRECISER LA FONCTION DE TRANSFERT OBTENUE POUR UNE EXCITATION PERIODIQUE IMPOSEE A L'ENTREE DU FLUIDE. L'ETUDE COMPREND TROIS PARTIES: LA PREMIERE EST CONSACREE A L'ANALYSE THEORIQUE DANS LE CAS D'UN ECOULEMENT LAMINAIRE A PLAN DIRECTEUR. LE COUPLAGE EST TRAITE EN ECRIVANT L'EGALITE DES FLUX ET DES TEMPERATURES A L'INTERFACE (CONDITION LIMITE DITE DE TYPE 4). UNE SOLUTION ANALYTIQUE A ETE DEVELOPPEE MOYENNANT L'HYPOTHESE D'UN PROFIL DE VITESSE UNIFORME (SLUG FLOW). CE PROBLEME EST EGALEMENT RESOLU A L'AIDE DU MODELE QUASI-STATIONNAIRE, LE COUPLAGE A L'INTERFACE EST ALORS ASSURE EN INTRODUISANT LA NOTION DE COEFFICIENT DE CONVECTION. LA DEUXIEME PARTIE CONCERNE LA SIMULATION NUMERIQUE D'UN ECOULEMENT FLUIDE EN REGIME LAMINAIRE ENTRE DEUX PLAQUES PARALLELES. LE CHAMP DYNAMIQUE EST CONSIDERE ETABLI PARABOLIQUE. LA REPONSE THERMIQUE EST ETUDIEE EN FONCTION DES DIFFERENTS PARAMETRES DU PROBLEME, TELS QUE LA FREQUENCE DU SIGNAL D'ENTREE ET LES CARACTERISTIQUES THERMOPHYSIQUES DU FLUIDE ET DU SOLIDE. LE MODELE NUMERIQUE UTILISANT UNE FORMULATION EXPLICITE AUX DIFFERENCES FINIES EST VALIDE PAR RAPPORT A LA SOLUTION EXACTE DEVELOPPEE DANS LA PREMIERE PARTIE. EN REGIME TURBULENT, DES PROFILS CLASSIQUES DE DISTRIBUTION DE VITESSE ET DE VISCOSITE SONT UTILISES DANS UN MODELE PSEUDO-LAMINAIRE. LES RESULTATS SONT ALORS COMPARES A CEUX OBTENUS SIMPLEMENT PAR L'UTILISATION DU NOMBRE DE NUSSELT. LA TROISIEME PARTIE EST RELATIVE A L'ETUDE EXPERIMENTALE D'UN ECOULEMENT D'EAU DANS UN CANAL RECTANGULAIRE DE SECTION 300 X 20 MM#2 ET DE LONGUEUR 3 M. LES PAROIS SONT EN ACIER INOXYDABLE DE 5 MM D'EPAISSEUR. LE FLUIDE ABORDE LE CANAL AINSI DEFINI AVEC UNE TEMPERATURE D'ENTREE EVOLUANT SELON UNE LOI TEMPORELLE PERIODIQUE. ON S'INTERESSE A LA DISTRIBUTION DE TEMPERATURE LONGITUDINALE DANS L'AXE DU CANAL ET A LA PAROI. EN PRATIQUE, NOUS DISPOSONS DE DEUX PARAMETRES, A SAVOIR LE NOMBRE DE REYNOLDS ET LA FREQUENCE DU SIGNAL D'ENTREE. LES RESULTATS EXPERIMENTAUX SONT CONFRONTES AUX MODELES PRECEDENTS

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.

CE TRAVAIL EST UNE CONTRIBUTION A L'ETUDE DE LA CONVECTION LAMINAIRE FORCEE AU COURS D'UN REGIME INSTATIONNAIRE PROVOQUE PAR UNE VARIATION BRUSQUE DES CONDITIONS THERMIQUES A LA PAROI. LA PREMIERE PARTIE DE CE MEMOIRE EST A CARACTERE FONDAMENTAL. PAR EXTENSION DE LA METHODE DIFFERENTIELLE AU PROBLEME DE COUCHE LIMITE LAMINAIRE EN REGIME TRANSITOIRE, NOUS AVONS TRAITE LE CAS D'UN ECHELON POSITIF (ECHAUFFEMENT) ET D'UN ECHELON NEGATIF (RELAXATION) SUR LA TEMPERATURE OU SUR LE FLUX PARIETAL. LORSQUE L'ECHELON EST POSITIF, LE COEFFICIENT DE CONVECTION PREND DES VALEURS INFINIES AUX PREMIERS INSTANTS. IL TEND ENSUITE ASYMPTOTIQUEMENT VERS DES VALEURS CONSTANTES CARACTERISANT LE REGIME PERMANENT RELATIF A CHACUN DES NOMBRES DE PRANDTL ETUDIES (PR = 0,1 ; 0,71 ET 10). POUR UN NOMBRE DE PRANDTL DONNE, LE REGIME TRANSITOIRE DURE PLUS LONGTEMPS POUR UN ECHELON SUR $ P QUE POUR UN ECHELON SUR T P. DE PLUS, LA DUREE DU REGIME INSTATIONNAIRE EST D'AUTANT PLUS GRANDE QUE LE NOMBRE PR EST ELEVE PUISQUE LA COUCHE LIMITE THERMIQUE EST DE PLUS EN PLUS MINCE. PAR AILLEURS, LA DUREE DE L'ECHAUFFEMENT EST EGALE A CELLE DE LA RELAXATION. CETTE ETUDE NOUS A PERMIS, ENTRE AUTRE, DE DEGAGER UNE LOI D'EVOLUTION EXPONENTIELLE DU COEFFICIENT DE CONVECTION LORSQU'UN CRENEAU DE FLUX SE SUPERPOSE A UN ECHAUFFEMENT INITIAL PERMANENT. LA SECONDE PARTIE PORTE SUR LA MESURE DES COEFFICIENTS D'ECHANGE PAR METHODE PHOTOTHERMIQUE IMPULSIONNELLE. DEUX MODELISATIONS SONT CONSIDEREES : LA PREMIERE EST BASEE SUR UN COEFFICIENT D'ECHANGE H CONSTANT PENDANT L'EXPERIENCE IMPULSIONNELLE, ET LA DEUXIEME LE SUPPOSE VARIABLE SELON LA LOI ETABLIE PAR L'ETUDE THEORIQUE DE LA COUCHE LIMITE. LES RESULTATS SONT COMPARES AUX MESURES EFFECTUEES PAR UN FLUXMETRE A COUCHE MINCE. ON MONTRE QU'A LA SUITE D'UNE EXCITATION DIRAC, H PEUT ETRE CONSIDERE COMME CONSTANT. CEPENDANT, POUR UN CRENEAU DE FLUX, L'ECART ENTRE LE MODELE A H CONSTANT ET LA MESURE FLUXMETRIQUE EST D'AUTANT PLUS GRAND QUE LA DUREE DU CRENEAU EST ELEVEE ET / OU QUE LA VITESSE DE L'AIR SOUFFLE EST FAIBLE. LE MODELE A H VARIABLE DONNE TOUJOURS DES VALEURS PLUS PROCHES DE LA MESURE FLUXMETRIQUE.