Particle and temperature transport in turbulent thermal convection
Propriétés de transport de particules et de température de la convection thermique turbulente
Résumé
This thesis is interested in a turbulent thermal convection flow in a Rayleigh-Bénard cell equipped with a smooth plate at the top and a rough plate at the bottom. Indeed, the addition of roughness leads to an increase in thermal transfer, without knowing the signatures of this increase in flow. In order to try to answer this question, we conducted a campaign of experiment of Lagrangian particle tracking in a Rayleigh-Benard cell equipped with a plate with roughness of 2 mm height at the bottom and a smooth plate at the top, that we compared to a smooth smooth case. From particle trajectories, we were able to obtain 3D velocity maps as well as Lagrangian statistics, such as autocorrelation functions or Lagrangian structure functions. From the pair dispersion, we were able to calculate the second order Eulerian structure function and an estimate of the turbulent dissipation. In a second step, we implemented a coupled measurement of temperature and speed in a 2D plane using thermochromic liquid crystals. We studied the temperature and heat flow statistics in a rough smooth cell, validating the method in the center of the cell by comparing these statistics with the literature, before focusing on plumes near the hot plate. This study revealed the existence of a mixing zone close to the rough plate where plumes develop as well as the verification of the velocity-temperature correlation used in the Kraichnan model.
Cette thèse s’intéresse à un écoulement de convection thermique turbulente dans une cellule de Rayleigh-Bénard équipée d’une plaque lisse en haut et d’une plaque rugueuse en bas. En effet, l’ajout de rugosité conduit à une augmentation du transfert thermique, sans que l’on connaisse les
signatures de cette augmentation dans l’écoulement. Afin de répondre à cette question, nous avons mené une campagne d’expérience de suivi Lagrangien de particules dans une cellule de Rayleigh-Bénard équipée d’une plaque avec des rugosité de 2 mm de hauteur en bas et d’une plaque lisse en haut, que nous avons comparée à un cas lisse lisse. Des trajectoires des particules, nous avons pu obtenir des cartes 3D de vitesse ainsi que des statistiques lagrangiennes, telles que des fonctions d’autocorrélation ou des fonctions de structure lagrangienne. De la dispersion de paires, nous avons pu calculer la fonction de structure eulérienne d’ordre 2, ainsi qu’une estimation de la dissipation turbulente. Dans un deuxième temps, nous avons mis en place une mesure couplée de température et de vitesse dans un plan 2D en utilisant des cristaux liquides thermochromiques. Nous avons étudier les statistique de température et de flux de chaleur dans une cellule lisse rugueuse, en validant la méthode dans le centre de la cellule en comparant ces statistiques avec la littérature, avant de s’intéresser aux panaches proches de la paroi chaude. Cette étude à révélé l’existence d’une zone de mélange proche de la paroi rugueuse où se développent les panaches ainsi que la vérification de la corrélation vitesse-température utilisée dans le modèle de Kraichnan.
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