Imagerie d'écoulements convectifs turbulents : du Fluorocarbone à l'hélium liquide - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Vizualisation of turbulent convective flows: from Fluorocarbon to liquid helium

Imagerie d'écoulements convectifs turbulents : du Fluorocarbone à l'hélium liquide

Résumé

Natural convection appears widely in nature, and remains a subject of major interest for the understanding of geophysical phenomena. The flows that are linked to it are of great magnitude and remain difficult to reproduce in the laboratory. In order to reach similar regimes in the laboratory, we propose to use fluids whose viscosity and other properties are very different from those of natural phenomena, such as cryogenic helium and fluorocarbon. The use of cryogenic helium in convection cells has made it possible to reach the highest Rayleigh numbers in the laboratories, up to 10^16, and to highlight some particular regimes. Two non-intrusive optical techniques, shadowgraphy and schlieren, have been developed and validated. In particular, shadowgraphy allows, thanks to an image correlation algorithm, to obtain the velocity field in the Rayleigh-Bénard cell. It has been possible to perform a study, in fluorocarbon, at high Rayleigh number and to propose a discussion on the transition to the "ultimate" regime of Rayleigh-Bénard convection by comparing with the literature data. In parallel, the cryogenic Rayleigh-Bénard experiment has been developed to perform the same type of measurement in liquid helium. First, a cell allowing both to generate a convection flow in liquid helium, and to allow optical measurements, has been designed and set up. One of the major motivations of the thesis is that our approach, based on the combined study of heat transfer and velocity by global resolution of the velocity field, can provide elements of answer relating to the "ultimate" regime of convection. Indeed, several recurrent hypotheses on the change of fluid behavior or plume emission statistics at the transition could be proven by optical measurements of the velocity field of this type.
La convection naturelle apparaît largement dans la nature, et demeure un sujet d’intérêt majeur pour la compréhension des phénomènes géophysiques. Les écoulements qui lui sont liés sont de grande ampleur et restent difficiles à reproduire en laboratoire. Afin d’atteindre en laboratoire des régimes semblables, on se propose d’utiliser des fluides dont la viscosité et les autres propriétés sont très différentes de celle des phénomènes naturels, comme l’hélium cryogénique et le Fluorocarbone. L’utilisation de l’hélium cryogénique dans les cellules de convection a permis d’atteindre les plus grands nombres de Rayleigh des laboratoires, jusqu’à 10^16, et de mettre en évidence certains régimes particuliers. Deux techniques optiques non intrusives, l’ombroscopie et la strioscopie, ont été mises au point et validées. En particulier, l’ombroscopie permet, grâce à un algorithme de corrélation d’image, d’obtenir le champ de vitesse dans la cellule de Rayleigh-Bénard. Il a été possible de réaliser une étude, dans le fluorocarbone, à grand nombre de Rayleigh et de proposer une discussion sur la transition au régime « ultime » de convection de Rayleigh-Bénard en comparant avec les données de la littérature. Parallèlement, l’expérience de Rayleigh-Bénard cryogénique a été développée afin de réaliser le même type de mesure dans l’hélium liquide. En premier lieu une cellule permettant à la fois de générer un écoulement de convection dans l’hélium liquide, et de permettre des mesures optiques, a été conçue et mise en place. Une des motivations majeures de la thèse est que notre approche, basée sur l’étude combinée du transfert thermique et de la vitesse par résolution globale du champ de vitesse, puisse permettre d’apporter des éléments de réponse relatifs au régime « ultime » de convection. En effet, plusieurs hypothèses récurrentes sur le changement de comportement du fluide où des statistiques d’émission de panache à la transition pourraient être prouvées par des mesures optiques du champ de vitesse de ce type.
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Dates et versions

tel-04039784 , version 1 (21-03-2023)
tel-04039784 , version 2 (28-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04039784 , version 1

Citer

Lucas Méthivier. Imagerie d'écoulements convectifs turbulents : du Fluorocarbone à l'hélium liquide. Physique [physics]. ENS de LYON, 2022. Français. ⟨NNT : 2022ENSL0055⟩. ⟨tel-04039784v1⟩

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