L' tude des coulements de convection naturelle dans les enceintes ferm es a un grand int r t dans des nombreuses application scientifiques et industriels, tant sur le plan num rique qu'exp rimental. Les tudes num riques ant rieures ont t conduites en utilisant une configuration bidimensionnelle cause du cout lev des simulations num riques tridimensionnelles. Les m thodes de calcul num rique ont t d velopp es ce qui permet d'affiner davantage les r sultats relatifs aux ph nom nes de la convection. Ce travail entre dans le cadre de la simulation num rique en configuration tridimensionnelle. Il tudie la convection naturelle dans une cavit chauff e. Ce travail contient une introduction et une conclusion g n rale. Le premier chapitre contient la synth se bibliographique des travaux ant rieurs. Le second chapitre pr sente la m thode num rique utilis e dans les simulations num riques. En plus, le troisi me chapitre est consacr l'effet du nombre de Rayleigh. Par la suite nous avons tudi l'effet de l'inclinaison de la cavit par rapport la pesanteur. L'effet de la nature du fluide et l'effet du rapport de forme transverse sont pr sent s au quatri me chapitre.

Ce travail présente des résultats expérimentaux obtenus dans une cavité différentiellement chauffée de 4 m de hauteur. Dans cette étude, des cartographies de température (micro-thermocouples) et de vitesse (LDV 2D et PIV standard) ont été établies pour des écoulements de convection naturelle turbulente à grands nombres de Rayleigh (4,0x1010 ≤ RaH ≤ 1,2x1011) tout en respectant l'approximation de Boussinesq. L'exploitation des résultats expérimentaux a, entre autre, permis de caractériser la stratification thermique au centre de la cavité ainsi que son évolution en fonction du nombre de Rayleigh pour différentes émissivités des parois passives. En outre, cette caractérisation a permis de connaître les répartitions des flux échangés à la paroi, la typologie des écoulements au voisinage des parois actives et dans le plan vertical médian, ainsi que le cheminement du fluide dans la partie haute de la cavité. Ces résultats sont ensuite comparés à ceux obtenus dans d'autres cavités différentiellement chauffées de moindres dimensions étudiées antérieurement au laboratoire. L'ensemble de ces résultats montre une grande cohérence et nous permet de déterminer des lois d'évolution de la vitesse maximale atteinte dans la cavité et du transfert de chaleur aux parois en fonction du nombre de Rayleigh en régime laminaire et turbulent. En parallèle, une étude numérique 2D a été réalisée. Son objectif est d'étudier l'influence du rayonnement de surface ou volumique sur la structure de l'écoulement et sur les modes de transfert de chaleur. A cette fin, un module de transferts radiatifs a été implanté dans un code Volumes Finis de convection naturelle turbulente existant. La modélisation de la turbulence est réalisée par une approche LES avec un modèle de diffusivité de sous maille adapté à la convection naturelle. La partie rayonnement est traitée à l'aide d'un modèle de gaz gris par bande, associé à une méthode aux ordonnées discrètes. Une analyse de l'influence du rayonnement de parois et/ou de gaz sur les écoulements turbulents de convection naturelle est réalisée pour un nombre de Rayleigh de 1,2x1011.

Cette étude expérimentale et numérique s'intéresse aux écoulements tridimensionnels de convection naturelle de l'air en cavité différentiellement chauffée pour une valeur du nombre de Rayleigh égale à 1,48.109, soit en régime de transition avancée à la turbulence. La cavité a pour dimensions 1m x 1m x 0,32m. Elle est constituée de deux parois actives verticales à température uniforme et imposée, de deux parois horizontales isolantes et de deux parois latérales supposées adiabatiques. La résolution d'un problème inverse permet la détermination précise des conditions aux limites thermiques relatives aux parois horizontales, et des mesures par caméra infrarouge fournissent une cartographie de température des parois latérales. Une caractérisation des champs thermiques par microthermocouples, et dynamiques (mesure des 3 composantes de la vitesse) par LDV, dans différents plans de la cavité est proposée ainsi que les champs couplés vitesse-température dans le plan vertical médian. Une comparaison de ces mesures aux résultats numériques obtenus par DNS-3D par méthode spectrale Chebyshev est restituée. L'influence de la profondeur de la cavité et de l'émissivité des différentes parois est examinée. Enfin, une simulation munie des conditions aux limites thermiques expérimentales sur les 6 faces de la cavité permet notamment d'expliquer les mécanismes complexes d'alimentation des couches limites.

Ce travail expérimental s'intéresse à l'étude des bifurcations de convection naturelle dans une cavité en air de forme parallélépipédique. Cette cavité, de rapport de forme vertical égal à 4, possède deux parois en vis-à-vis respectivement chauffée et refroidie à température constante, elle peut être inclinée d'un angle compris entre 0 (chauffée par dessous) et 180°. Des mesures locales de fluctuations de température, en des endroits bien particuliers, ont permis de mettre en évidence les différentes bifurcations apparaissant pour la plupart des inclinaisons. Un comportement universel, avec une corrélation unique donnant la valeur du nombre de Rayleigh critique du premier mode instationnaire pour toutes les inclinaisons, a été également observé. Par ailleurs, différents modes d'instationnarité, en fonction de l'angle d'inclinaison, ont été trouvés et des visualisations par tomographie laser ont permis de déceler le comportement du fluide suite à l'établissement de chacun de ces différents modes. La caractérisation dynamique et thermique de ces régimes a été entreprise à l'aide de profils de température, le long de l'axe de symétrie de la cavité, ainsi que par la technique de vélocimétrie laser bidimensionnelle par imagerie de particules dans le plan médian orthogonal aux parois actives et au plancher. Quelques observations, dont l'évolution de la stratification thermique et les différents régimes d'écoulements rencontrés suivant l'inclinaison, ont été dégagées. Enfin, une attention toute particulière a été consacrée au cas de la convection fortement turbulente de Rayleigh-Bénard avec la détermination de quantités turbulentes 3D.

La convection naturelle en cavité étant un phénomène chaotique, l'influence de différents paramètres sur l'écoulement et le transfert de chaleur est donc essentielle à connaître. Ce mémoire regroupe trois études expérimentales complémentaires de convection naturelle en cavité différentiellement chauffée. L'influence des variations du taux de CO2 dans l'air contenu dans l'enceinte sur l'écoulement de convection naturelle, caractérisé par un nombre de Rayleigh de 1,5.10^9 (pour l’air pur) a été analysée. Le taux de CO2 n'affecte pas l'écoulement de convection naturelle, que ce soit sur la stratification thermique dans le coeur de l'enceinte ou sur le débit massique du fluide circulant dans les couches limites. De même, lorsque cette cavité est munie d'un linteau au plafond, le débit massique circulant dans l'enceinte ne change pas malgré le doublement des pertes de charge potentielles. L'écoulement principal suit les parois sans décollement apparent. Le linteau introduit seulement localement des écoulements secondaires 3D plus importants, notamment dans les angles. Une étude expérimentale pour un nombre de Rayleigh voisin de 10^11, effectuée dans une cavité différentiellement chauffée de grande taille (4m de hauteur), a permis de quantifier les grandeurs essentielles caractérisant la dynamique et de la thermique de la convection naturelle dans une configuration géométrique peu commune. Cette expérience a permis d'étendre sur près de 4 décades de variation du nombre de Rayleigh des cavités différentiellement chauffées, la loi unique d’évolution du nombre de Reynolds, basé sur le débit massique circulant, en fonction du nombre de Rayleigh élevé à la puissance 1/3.

ON DEVELOPPE UN ALGORITHME D'INTEGRATION DES EQUATIONS BIDIMENSIONNELLES INSTATIONNAIRES DE NAVIER-STOKES D'UN FLUIDE DE BOMUSSINESQ QUI COUPLE UNE DISCRETISATION SPATIALE DES VARIABLES DEPENDANTES PAR APPROXIMATION SPECTRALE DE CHEBYSHEV A UNE DISCRETISATION TEMPORELLE DE TYPE DIFFERENCES-FINIES DU SECOND ORDRE. LES CAVITES ETUDIEES ONT DES RAPPORTS DE FORME DE 1 A 10. SUIVANT LE RAPPORT DE FORME ET LES CONDITIONS AUX LIMITES THERMIQUES, IL EXISTE TROIS MECANISMES DIFFERENTS DE TRANSITION A L'INSTATIONNARITE QUI CORRESPONDENT A DES BIFURCATIONS DE HOPF SUPERCRITIQUES