Convection versus effects de stratification / Convection versus effects of stratification

La compréhension de la convection turbulente est essentielle pour de nombreux processus naturels et industriels, comme les phénomènes météorologiques, les courants océaniques, l'efficacité énergétique des bâtiments et le refroidissement des centrales nucléaires. En mécanique des fluides, ces écoulements sont étudiés avec des modèles simplifiés : la convection de Rayleigh-Bénard, où un fond chauffé et un sommet refroidi modélisent la dynamique atmosphérique, et la convection verticale, avec des parois latérales chauffées et refroidies pour étudier la ventilation des bâtiments. L'optimisation du transfert de chaleur, l'analyse des schémas de circulation, la stratification et les écoulements de frontière figurent parmi les axes majeurs de recherche.

Des études récentes au LEGI ont révélé divers régimes d'écoulement en convection verticale dans des cavités rectangulaires avec une paroi chauffée et l'autre refroidie. Leur comportement dépend du rapport d'aspect, de la diffusion thermique et du moment, ainsi que du forçage externe, représenté par les nombres de Prandtl et de Rayleigh. Cette recherche s'est concentrée sur les écoulements laminaires et l'apparition d'instabilités en cavité bidimensionnelle, avec des effets également observés dans des écoulements tridimensionnels.

L'objectif de cette thèse est d'explorer ces régimes en convection tridimensionnelle sous différentes conditions de forçage, par exemple avec la convection de Rayleigh Benard en plus de la convection verticale, et de cartographier leur dépendance aux paramètres physiques dominants. Certains types de forçage favorisent une stratification stable, limitant le transfert thermique, tandis que d'autres renforcent la circulation à grande échelle, accélérant le transfert de chaleur. Dans des régimes intermédiaires, le système oscille entre ces états, un phénomène critique pour la sécurité des systèmes de refroidissement.

Cette recherche implique une collaboration avec le CEA Grenoble, où des expériences en hélium liquide sont prévues pour atteindre des nombres de Rayleigh très élevés. En applications géophysiques, l'étude vise à clarifier l'impact de la stratification sur la convection, notamment dans certains écoulements océaniques et atmosphériques. Les résultats permettront d'identifier les différents régimes d'écoulement, de caractériser les schémas d'écoulement et d'évaluer leur efficacité en matière de transfert de chaleur, contribuant ainsi à la poursuite de la modélisation. L'approche est principalement expérimentale et numérique, orientant le développement théorique.

L'approche expérimentale repose sur un réservoir de convection avec segments chauffants verticaux et horizontaux, offrant diverses configurations de forçage et variations de paramètres. L'utilisation de différents fluides ou de l'air permet d'explorer une large gamme de nombres de Prandtl et de Rayleigh. Les mesures sont réalisées avec des sondes thermiques et des enregistrements vidéo.

Une méthode développée au LEGI permet de mesurer les champs de température et de vitesse sur un plan entier, surpassant les mesures classiques en un seul point. Des codes de simulation numérique directe (DNS), déjà opérationnels, sont disponibles et des codes spécialisés pour l'étude des instabilités peuvent être adaptés à cette recherche.

Les encadrants sont activement impliqués, avec une à deux réunions hebdomadaires pour discuter des résultats et planifier les prochaines étapes. Ces réunions font partie du programme de travail, en complément des tutoriels initiaux pour des routines expérimentales et/ou des simulations numériques.

Les candidats doivent avoir une solide formation en physique ou mécanique des fluides, ainsi que des bases en programmation.

Début de la thèse : 01/10/2025

Funding category: Autre financement public

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Nous encourageons les candidats ayant une solide formation en physique ou en mécanique des fluides à postuler pour cette opportunité de doctorat. Bien que non requis, une expérience en modélisation expérimentale en mécanique des fluides et/ou en programmation numérique (comme Python, MATLAB ou des outils similaires) serait fortement appréciée.