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Ecoulements thermo-convectifs de Rayleigh-Bénard-Marangoni

La convection de Bénard, dite de Rayleigh-Bénard-Marangoni lorsque l'écoulement est induit conjointement par un gradient de densité et de tension superficielle, a été étudiée par le biais des approches expérimentales et numériques. Différents aspects du problème ont été abordés au cours de cette étude, et plus particulièrement les seuils d'instabilité, la sélection du nombre d'onde, la topologie de la structure convective, le désordre structural, le chaos spatio-temporel et aussi les transferts de chaleur. En outre, nous avons pu mettre en évidence l'influence de la forme et de la taille du récipient sur les principales caractéristiques de l'écoulement. Pour cela nous avons considéré des récipients de formes différentes (à base triangulaire, carrée, pentagonale, hexagonale, circulaire) et pour plusieurs valeurs du paramètre de confinement (caractérisé par le rapport d'aspect). Il se dégage de cette étude que les récipients à base triangulaire équilatérale et hexagonale régulière permettent de reproduire des réseaux hexagonaux quasi-parfaits, même pour de faibles rapports d'aspects. Par contre, pour les autres géométries, le récipient induit de nombreux défauts dans la structure de l'écoulement cellulaire, qui se matérialise par l'apparition de paires de cellules pentagonales et heptagonales.

 
 
 
Ecoulements de Rayleigh-Bénard-Marangoni en récipient de faible extension latérale : comparaison entre expériences et simulation numérique. Vue de dessus de la structure de l'écoulement cellulaire, du champ de vitesse à l'interface et du champ de température.

 

La convection de Bénard, dite de Rayleigh-Bénard lorsque l'écoulement est induit par un gradient de densité, a été étudiée pour des récipients à parois faiblement conductrices. Les trois approches utilisées (expérimentale, numérique et analytique) ont donné des résultats concordants, et le seuil d'instabilité a été déterminé. L'étude de la structure convective et des transferts de chaleur a été menée pour des récipients disposés horizontalement ou inclinés (jusqu'à 80° par rapport à l'horizontale). L'influence du chauffage supplémentaire et perturbateur, dû à une paroi latérale du récipient, a été systématiquement considérée. Dans le cas d'un récipient horizontal, le chauffage latéral a permis de mettre en évidence la compétition entre le rouleau induit par la paroi latérale et le système de rouleaux de Bénard, induisant la disparition de ceux-ci par paires, à cause du couplage mécanique entre rouleaux, d'une part, et la valeur quasi constante du nombre d'onde des rouleaux de Bénard, d'autre part. Dans le cas d'un récipient incliné, l'inclinaison peut favoriser ou contrarier le mouvement convectif induit par le chauffage latéral, ce qui modifie la structure convective observée.



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