Convection Versus Effects de Stratification

**Convection versus effects de stratification // Convection versus effects of stratification**:

- Réf **ABG-128922**
**ADUM-61976**
- Sujet de Thèse
- 27/02/2025
- Autre financement public
- Université Grenoble Alpes
- Lieu de travail- Grenoble cedex 9 - France
- Intitulé du sujet- Convection versus effects de stratification // Convection versus effects of stratification
- Champs scientifiques- Terre, univers, espace
- Mots clés- turbulence, instabilité, diagramme de régimes, transfert de chaleur, mélange, circulation grande échelle
turbulence, instabilité, regime diagrams, heat transport, mixing, large scale circulation

**Description du sujet**:

- La compréhension de la convection turbulente est essentielle pour de nombreux processus naturels et industriels, comme les phénomènes météorologiques, les courants océaniques, l'efficacité énergétique des bâtiments et le refroidissement des centrales nucléaires. En mécanique des fluides, ces écoulements sont étudiés avec des modèles simplifiés : la convection de Rayleigh-Bénard, où un fond chauffé et un sommet refroidi modélisent la dynamique atmosphérique, et la convection verticale, avec des parois latérales chauffées et refroidies pour étudier la ventilation des bâtiments. L'optimisation du transfert de chaleur, l'analyse des schémas de circulation, la stratification et les écoulements de frontière figurent parmi les axes majeurs de recherche.
Des études récentes au LEGI ont révélé divers régimes d'écoulement en convection verticale dans des cavités rectangulaires avec une paroi chauffée et l'autre refroidie. Leur comportement dépend du rapport d'aspect, de la diffusion thermique et du moment, ainsi que du forçage externe, représenté par les nombres de Prandtl et de Rayleigh. Cette recherche s'est concentrée sur les écoulements laminaires et l'apparition d'instabilités en cavité bidimensionnelle, avec des effets également observés dans des écoulements tridimensionnels.
L'objectif de cette thèse est d'explorer ces régimes en convection tridimensionnelle sous différentes conditions de forçage, par exemple avec la convection de Rayleigh Benard en plus de la convection verticale, et de cartographier leur dépendance aux paramètres physiques dominants. Certains types de forçage favorisent une stratification stable, limitant le transfert thermique, tandis que d'autres renforcent la circulation à grande échelle, accélérant le transfert de chaleur. Dans des régimes intermédiaires, le système oscille entre ces états, un phénomène critique pour la sécurité des systèmes de refroidissement.
L'approche expérimentale repose sur un réservoir de convection avec segments chauffants verticaux et horizontaux, offrant diverses configurations de forçage et variations de paramètres. L'utilisation de différents fluides ou de l'air permet d'explorer une large gamme de nombres de Prandtl et de Rayleigh. Les mesures sont réalisées avec des sondes thermiques et des enregistrements vidéo.
Une méthode développée au LEGI permet de mesurer les champs de température et de vitesse sur un plan entier, surpassant les mesures classiques en un seul point. Des codes de simulation numérique directe (DNS), déjà opérationnels, sont disponibles et des codes spécialisés pour l'étude des instabilités peuvent être adaptés à cette recherche.
Les encadrants sont activement impliqués, avec une à deux réunions hebdomadaires pour discuter des résultats et planifier les prochaines étapes. Ces réunions font partie du programme de travail, en complément des tutoriels initiaux pour des routines expérimentales et/ou des simulations numériques.

Understanding turbulent convection is essential for many natural and industrial processes, from weather patterns and ocean currents to energy efficiency in buildings and cooling systems in nuclear plants. In fluid mechanics, the fundamental behavior of these flows has been studied using simplified models, such as Rayleigh-Bénard convection, where a heated bottom and cooled top are used to model atmospheric dynamics, and vertical convection, where heated and cooled sidewalls help study building ventilation. Key areas of focus include optimizing heat transfer, analyzing circulation patterns, understanding stratification effects, and examining boundary flows and plumes.
Recent research at LEGI has revealed a variety of flow patterns in vertical convection within rectangular cavities, where one sidewall is heated and the opposite side is cooled. The behavior of these flows depends on the cavity's aspect ratio, heat and momentum diffusion, and external forcing, represented by the Prandtl and Rayleigh numbers. This study focused on laminar flow and the onset of instability, specifically in a two-dimensional cavity. However, some of these effects were also observed in three-dimensional experimental flows.
The aim of this PhD research is to explore flow regimes in three-dimensional convection under different forcing conditions, for example with Rayleigh Benard convection in addit