Convection

A. Sergent, D. Băltean-Carlès, J. Chergui (P2I), V. Daru (AERO), I. Delbende, Y. Fraigneau (P2I), D. Juric (TSF), P. Le Quéré, C.T. Pham, B. Podvin (AERO), C. Weisman. Doctorants : L. Cadet, A. Castillo, Z.L. Gao, C. Garnier, L. Ma, H.L. Tran.

Plusieurs types d'écoulements en présence de convection sont étudiés par des approches numériques, théoriques et / ou expérimentales. Il s'agit d'écoulements de convection naturelle pure, en présence de couplage thermo-acoustique (canal 2D, guide d'ondes), en présence d'évaporation (goutte de Leidenfrost, ligne de contact). Des problématiques d'étude de stabilité, suivi de bifurcations, de transition vers le chaos,  modélisation de la turbulence, conditions limites sont abordées.

Convection de Rayleigh-Bénard turbulente: circulation à grande échelle et renversements

En convection turbulente de Rayleigh-Bénard bidimensionnelle, un régime d'intermittence entre états stables existe dans une certaine plage de paramètres. Les fluctuations temporelles de l'écoulement à grande échelle (LSC) et les renversements ont été simulés grâce à un code spectral et analysés. Une approche POD a été employée pour identifier les échelles les plus énergétiques. Les renversements standards par la croissance des écoulements de coin et et les plages de cessations (absence de LSC) ont été caractérisés. Trois modes dominants ont été identifiés : un écoulement contenant un rouleau simple, un écoulement quadripolaire et un écoulement contenant deux rouleaux superposés. L'analyse des coefficients d'interaction entre les modes POD a permis de proposer un modèle de renversement basé sur les trois modes les plus énergétiques en présence de bruit. [A. Sergent en collaboration avec B. Podvin (AERO)].

 

Canal vertical en convection naturelle : bifurcations, transition vers le chaos

 La route vers le chaos d'un écoulement d'air dans une fente différentiellement chauffée a été étudiée numériquement (Ph.D thesis of Z. Gao)au moyen d'un code DNS spectral développé au LIMSI (S. Xin (CETHIL) et J. Chergui (PIE)). Les bifurcations successives ont été analysés et une structure 3D caractéristique a été mise en évidence. Elle est formée d'un rouleau principal de convection, et de deux rouleaux secondaires obliques contra-rotatifs connectant les structures entre elles. La dynamique de l'écoulement chaotique au sein d'un volume fluide minimal caractéristique a été décrite et les mécanismes physiques correspondants analysés. Il a été montré que certaines caractéristiques de l'écoulement, telles que les oscillations chaotiques et l'intermittence pouvait être reproduite par un modèle réduit. [P. Le Quéré et A. Sergent en collaboration avec B. Podvin (AERO), J. Chergui (P2I), S. Xin (CETHIL) et L. Tuckerman (PMMH)].

Fente1Ecoulement caractéristique dans une fente différentiellement chauffée remplie d'air : rouleaux transverses de convection connectés par des rouleaux secondaires contra-rotatifs. (Ra=11500, isocontours du critère Q colorés par la composante verticale de vorticité).

 

Modélisation d'un écoulement de cheminée : problème des conditions limites

La modélisation numérique d'écoulements de convection naturelle pour des configurations ouvertes ou semi-confinées demande d'imposer les conditions limites appropriées aux frontières du domaine de calcul pour espérer modéliser avec pertinence et précision ces écoulements. Une cheminée asymétriquement chauffée a étudiée (thèse de C. Garnier). Des solutions de référence ont tout d'abord été obtenues dans le cas où la cheminée était immergée dans un grand réservoir, pour évaluer les plusieurs jeux de conditions limites de la littérature. Un nouveau jeu de conditions limites a ensuite été proposé pour modéliser les interactions cheminée-voisinage extérieur. [P. Le Quéré et A. Sergent en collaboration avec Y. Fraigneau (P2I)].

 

Modélisation de panaches binaires

La connaissance des mécanismes de mélange et dispersion de l'hydrogène dans l'air dans des cellules confinées est une question de sécurité pour tous les systèmes basés sur l'hydrogène.  Un modèle numérique 2D a été développé pour un mélange binaire à pression constante (Ph.D thesis of H.L. Tran). Le développement d'un panache laminaire d'un mélange glycérol-eau a tout d'abord été considéré comme cas de validation en comparaison avec des résultats expérimentaux [Rogers & Morris 2009]. Une loi d'échelle modifiée a été proposée pour la vitesse d'ascension. Le cas hélium-air a ensuite été considéré pour une cavité cylindrique dans une configuration typique du CEA [Cariteau & Tkatschenko 2012]. La comparaison entre des résultats expérimentaux et numériques a montré les limites de l'hypothèse d'axisymmétrie. [P. Le Quéré et A. Sergent en collaboration avec G. Bernard-Michel (CEA) et A. Davaille (FAST)].

 

 

 

 

 

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