Simulation numérique et stabilité des écoulements de convection mixte en conduite rectangulaire chauffée par le bas

• Main Author: Nicolas, Xavier
• Language: fra
• Published: Université Paul Sabatier - Toulouse III 1997
• Subjects: [SPI:MECA:MEFL] Engineering Sciences/Mechanics/Fluids mechanics; [SPI:MECA:MEFL] Sciences de l'ingénieur/Mécanique/Mécanique des fluides; [PHYS:MECA:MEFL] Physics/Mechanics/Mechanics of the fluids; [PHYS:MECA:MEFL] Physique/Mécanique/Mécanique des fluides; [SPI:MECA:THER] Engineering Sciences/Mechanics/Thermics; [SPI:MECA:THER] Sciences de l'ingénieur/Mécanique/Thermique; [PHYS:MECA:THER] Physics/Mechanics/Thermics; [PHYS:MECA:THER] Physique/Mécanique/Thermique; Convection mixte; Poiseuille-Rayleigh-Bénard; canal rectangulaire; rouleaux de convection; Instabilité convective; Stabilité linéaire; Volumes finis; Lagrangien augmenté; Conditions aux limites ouvertes; Conditions aux limites périodiques; Revue bibliographique
• Online Access: http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00812211; http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/81/22/11/PDF/Thesis_Xavier_Nicolas_1997.pdf

Nous proposons une étude numérique bidimensionnelle des écoulements laminaires de convection mixte en conduite rectangulaire horizontale chauffée par le bas (encore appelés "écoulements de Poiseuille-Rayleigh-Bénard"). La méthode de résolution est de type volumes finis; elle est basée sur la méthode du Lagrangien augmenté. Nous présentons une revue bibliographique, historique et complète, des travaux effectués sur ce sujet. Nous rapportons de manière détaillée les résultats de trois thèses, analysant la stabilité linéaire de l'écoulement de Poiseuille et la stabilité faiblement non-linéaire des rouleaux thermoconvectifs transverses à l'axe de la conduite, et fournissant des mesures expérimentales très fines des champs de vitesse dans les domaines linéaires et non-linéaires. L'objectif de ce travail est d'étudier dans quelle mesure les simulations numériques s'accordent avec théories et expériences en effectuant des comparaisons quantitatives systématiques avec ces trois thèses. Nous étudions l'influence des conditions aux limites ouvertes et périodiques sur la stabilité et sur le développement spatial et temporel des rouleaux transversaux, en prenant en compte le caractère convectif ou absolu de l'instabilité. Cinq sortes de conditions aux limites ouvertes sont testées. On montre que l'amplitude de la perturbation en amont de la frontière de sortie peut considérablement varier d'une condition à l'autre, alors que la longueur de la zone perturbée varie très peu, et que la structure de l'écoulement en dehors de la zone perturbée se conserve. Avec les conditions aux limites périodiques, les rouleaux transversaux transitent vers l'écoulement de Poiseuille au passage du seuil entre instabilité convective et stabilité linéaire. Avec les conditions aux limites ouvertes, cette transition a lieu près du seuil entre instabilité absolue et instabilité convective. Tous les résultats de la stabilité faiblement non-linéaire sont reproduits par la simulation 2D, et certains résultats expérimentaux 3D sont retrouvés avec une grande précision. On montre que les points de désaccord qui sont mis en évidence résultent d'effets purement tridimensionnels et qu'ils ne pourront donc être traités que par la simulation numérique 3D.