Cette thèse est une contribution expérimentale à l'étude de la convection thermique en régime laminaire, transitoire et turbulent pour un fluide à seuil en écoulement dans une conduite cylindrique ou annulaire. Le fluide utilisé est une solution de carbopol neutralisée. En régime laminaire, l'écoulement unidirectionnel d'un fluide à seuil est caractérisé par la présence, dans la partie centrale, d'une zone isovitesse. La fin du régime laminaire, déterminée à partir des mesures de pression et de vitesse, est retardée par la présence d'un seuil d'écoulement. Le début de la transition se manifeste par des instabilités en présence d'une zone isovitesse stable. Ce régime particulier pour le fluide à seuil est caractérisé. Par la suite, des bouffées turbulentes envahissant toute la section de la conduite, sont observées et comparées à celles obtenues pour un fluide newtonien. En régime turbulent, seuls les effets dus aux caractères rhéofluidifiants et élastiques des fluides utilisés sont mis en évidence. Enfin, l'évolution du coefficient de transfert de chaleur dans les différents régimes est déterminée montrant clairement l'effet des propriétés rhéologiques.

LES EQUATIONS REGISSANT LES TRANSFERTS D'IMPULSION, DE MATIERE ET DE CHALEUR SONT MAINTENUES A TEMPERATURE CONSTANTE ET LE FOND INCLINE EST TRAVERSE PAR UN FLUX DE CHALEUR DE DENSITE CONSTANTE. LES EQUATIONS SONT TRANSFORMEES EN INTRODUISANT COMME VARIABLES LA FONCTION DE COURANT ET LA VORTICITE. RESOLUTION DU SYSTEME D'EQUATION PAR LA METHODE DES DIFFERENCES FINIES EXPLICITES; ANALYSE DE LA STABILITE DES SOLUTIONS. PRESENTATION DES RESULTATS: DISTRIBUTIONS DES VITESSES ET DES TEMPERATURES DANS L'EAU EN FONCTION DU TEMPS. MISE EN EVIDENCE D'ECOULEMENTS SECONDAIRES DANS CERTAINS CAS

La première partie est consacrée à l'étude numérique des phénomènes convectifs au sein d'un fluide circulant dans un tube vertical soumis à des conditions aux limites variables à l'entrée et/ou à la surface externe de la conduite. La résolution numérique des équations basées sur la fonction de courant et la vorticité est assurée par une méthode aux différences finies. Nous avons observé que le comportement de l'écoulement est très différent selon le signe de l'échelon de température positif ou négatif. A partir d'expériences numériques, nous avons établi des diagrammes de stabilité de l'écoulement laminaire, en convection mixte aidée et contrariée. De plus, nous avons mis en évidence le temps caractéristique d'apparition des instabilités qui diminue fortement pour des nombres de Richardson élevés. Dans la deuxième partie, nous avons réalisé une étude préliminaire de visualisation de l'écoulement laminaire et ascendant dans un tube vertical par tomographie laser. Un dispositif expérimental a été mis en place au laboratoire permettant d'observer, dans un premier temps qualitativement, les phénomènes de recirculation inhérentes aux instabilités thermoconvectives présentes

La compréhension des écoulements turbulents en aval d'un cylindre circulaire horizontal, soumis à un écoulement d'air transverse et en présence d'importants effets de flottabilité, constitue l'objectif principal de ce présent mémoire. Les approches expérimentale et numérique (DNS) sont utilisées afin de compléter les connaissances des mécanismes d'instabilité tourbillonnaire en régime de convection mixte. En dehors de la perte de symétrie du sillage induit par les effets de pesanteur, l'écoulement étudié ici est caractérisé par le développement de deux instabilités principales. Au niveau de la couche de cisaillement inférieure on assiste au développement d'instabilités intermittentes de Kelvin-Helmholtz. Nous montrons qu'en présence d'effets de gravité importants la transition vers la turbulence est accélérée dans cette région de l'écoulement. A l'arrière du cylindre un écoulement secondaire apparaît sous l'effet des forces de pesanteur. Cet écoulement est le lieu d'importants mouvements tridimensionnels tant sur le plan moyen que fluctuant et donne naissance à des dipôles de vorticité caractéristiques. Ces structures se forment dans la partie supérieure du sillage et évoluent librement au niveau de l'écoulement principal ou s'apparient avec les structures tourbillonnaires du sillage turbulent. Finalement, en présence d'effets de gravité non négligeables, on assiste à un enrichissement du spectre des structures turbulentes et à une augmentation des composantes tridimensionnelles du champ dynamique. Dans ces conditions la température agit comme un scalaire actif capable d'accélérer la transition vers la turbulence.

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

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.