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

ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE DES TRANSFERTS D'IMPULSION ET DE CHALEUR EN REGIME LAMINAIRE TRANSITOIRE DANS UN CYLINDRE VERTICAL PARTIELLEMENT REMPLI D'UN FLUIDE NEWTONIEN. ON EXAMINE LE CAS OU LES PAROIS DU CYLINDRE SONT A UNE TEMPERATURE CONSTANTE ET CELUI OU ELLES SONT TRAVERSEES PAR DES FLUX DE CHALEUR DE DENSITE CONSTANTE. ON INTRODUIT DANS LES EQUATIONS LA FONCTION DE COURANT ET LE ROTATIONNEL DE LA VITESSE ET ON CALCULE LES CHAMPS DE VITESSE ET DE TEMPERATURE PAR UNE METHODE AUX DIFFERENCES-FINIES EXPLICITES ASSOCIEE A UNE ETUDE DE STABILITE. DE NOMBREUX ECOULEMENTS SECONDAIRES ACCOMPAGNANT L'ECOULEMENT PRINCIPAL SONT MIS EN EVIDENCE

On présente les résultats d’une simulation numérique de la convection mixte conjuguée transitoire dans un tube vertical soumis à un flux DED chaleur constant et uniforme. Le fluide pénètre au haut du tube pour se diriger vers le bas ; par conséquent on est en présence d’un écoulement de convection mixte contrariée. Les équations de conservation dans le fluide et dans la paroi sont résolues numériquement en utilisant la méthode des volumes finis. Le couplage pression-vitesse est assuré en utilisant l’algorithme simple. On étudie l’influence des propriétés physiques et géométriques sur l’évolution transitoire des grandeurs thermiques (flux de chaleur à l’interface paroi-fluide et distribution radiale de température) et sur les grandeurs dynamiques (coefficient de frottement et champs vecteurs vitesses).

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.

CE TRAVAIL CONCERNE L'ETUDE NUMERIQUE ET EXPERIMENTALE DU COUPLAGE THERMO-ELECTROHYDRODYNAMIQUE DANS UN SYSTEME DE CHAUFFAGE VOLUMIQUE DE LIQUIDES IONIQUES PAR CONDUCTION ELECTRIQUE DIRECTE CHAUFFAGE OHMIQUE. IL S'AGIT DE CHAUFFER UN FLUIDE PAR EFFET JOULE EN UTILISANT LE PRODUIT MEME COMME RESISTANCE ELECTRIQUE. LE PRINCIPE AINSI QUE LES NOMBREUX AVANTAGES ET APPLICATIONS DE CE PROCEDE SONT PRESENTES. LA CONFIGURATION DE L'ETUDE CONSISTE EN UN ECOULEMENT LAMINAIRE DANS UN CANAL VERTICAL A SECTION RECTANGULAIRE AVEC DISSIPATION VOLUMIQUE D'ENERGIE. UN MONTAGE EXPERIMENTAL A PERMIS L'EXPLORATION DES CHAMPS DE VITESSE ET DE TEMPERATURE. DIFFERENTES METHODES EXPERIMENTALES ONT ETE MISES EN UVRE : LA VELOCIMETRIE LASER A EFFET DOPPLER, LA VISUALISATION PAR FLUORESCENCE INDUITE PAR LASER ET LA MESURE DE TEMPERATURE PAR THERMOCOUPLES. LES RESULTATS ONT PERMIS D'ANALYSER LE COUPLAGE DES PHENOMENES PHYSIQUES MIS EN JEU. CES RESULTATS ONT EGALEMENT SERVI A LA VALIDATION D'UNE VERSION SPECIFIQUE D'UN CODE DE CALCUL 3D EN VOLUMES FINIS, ESTET. L'ETUDE NUMERIQUE A PERMIS D'ABORDER DIFFERENTS ASPECTS DU PROBLEME. L'INFLUENCE DES PARAMETRES, TELS QUE LA VARIATION DES PROPRIETES PHYSIQUES, LA DENSITE DE CHAUFFAGE VOLUMIQUE ET LES CONDITIONS AUX LIMITES, A ETE ANALYSEE. L'UNIFORMITE DU CHAUFFAGE A ETE CARACTERISEE. UNE COMPARAISON AVEC UN CHAUFFAGE PARIETAL A FLUX CONSTANT A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE CETTE HOMOGENEITE DE LA TEMPERATURE PLUS IMPORTANTE DANS LE CAS DU CHAUFFAGE VOLUMIQUE. UNE PREMIERE PHASE D'UNE ETUDE CONCERNANT LE CONTROLE ACTIF D'UN TEL SYSTEME A ETE REALISEE. LE BUT FINAL CONSISTE A DETERMINER UNE BOUCLE DE CONTROLE PERMETTANT D'OPTIMISER LE SYSTEME SELON DES CRITERES PROPRES A L'APPLICATION VISEE. UNE ANALYSE LINEAIRE DE STABILITE DANS LE CAS D'ECOULEMENT FORCE EN REGIME ETABLI A ETE REALISEE. LA REPONSE D'UN TEL ECOULEMENT A UN ECHELON DE CHAMP ELECTRIQUE A ETE ETUDIEE GRACE A UNE SIMULATION NUMERIQUE. LA CONVECTION NATURELLE EN CAVITE SOUS L'EFFET DU CHAMP ELECTRIQUE A ETE ETUDIEE. IL S'AGIT D'ETUDIER LA CONVECTION NATURELLE AVEC CHAUFFAGE VOLUMIQUE. AINSI QUE L'EFFET EVENTUEL DE LA FORCE ELECTRIQUE DANS CE SYSTEME. UN MONTAGE EXPERIMENTAL ET UN MODELE NUMERIQUE ONT ETE DEVELOPPES. LA STRUCTURE DE L'ECOULEMENT ET DES REGIMES QUI APPARAISSENT DANS CETTE CONFIGURATION SONT CARACTERISES.

Ce travail de recherche traite les phénomènes convectifs en régime transitoire et plus particulièrement l’identification du coefficient d’échange convectif sur une plaque plane chauffée et placée dans un canal rectangulaire. Nous avons élaboré deux modèles analytiques : Le premier modèle est fondé sur la résolution de l’équation de propagation de la chaleur dans une plaque par la méthode des fonctions de Green, permettant de déduire de façon rigoureuse l’évolution du flux pariétal pénétrant dans le fluide, puis le coefficient d’échange convectif. Nous constatons que ce coefficient prend des valeurs très importantes au voisinage de puis décroît et tend vers une valeur limite constante en régime permanent proche des valeurs obtenues à partir des corrélations issues de la littérature. Le deuxième modèle, concerne quand à lui la résolution de l’équation de l’énergie dans le fluide dans le cas d’un flux de chaleur appliqué à l’interface solide-fluide en utilisant également la méthode des fonctions de Green. Cette démarche originale permet, connaissant le profil de vitesse dans la couche limite dynamique, de déterminer le profil de température dans tout le fluide et ainsi les températures et la couche limite thermique. Un banc d’essais expérimental a permis d’identifier les conditions limites nécessaires pour les deux modèles analytiques. Dans ce banc d’essais la plaque plane est exposée sur sa face inférieure à un créneau de flux transmis par conduction et pénétrant dans le fluide par la face supérieure sans perturber l’écoulement. Une Caméra Infrarouge installée en regard de la plaque permet d’enregistrer le profil de température sur cette face. Aucun système de mesure de flux n’est installé sur la face supérieure de la plaque ce qui évite de modifier les couches limites thermique et dynamique