Turbulent convection in Rayleigh-Bénard cells with modified boundary conditions
Convection turbulente dans les cellules de Rayleigh-Bénard avec des conditions limites modifiées
Résumé
One outstanding feature of the Rayleigh-Bénard problem which concerns a horizontal fluid layer heated from below and cooled from above, is the spontaneous establishment of spatial ordering and the formation of a coherent large-scale circulation. How different factors, such as the domain geometry and boundary conditions, influence the sizes and shapes of the large-scale flow remains an open question. Despite its apparent simplicity, Rayleigh-Bénard convection exhibits some incredibly rich and complex large-scale dynamics such as torsional modes, rotation, sloshing, and cessations, which often coexist and compete to each other. One approach, commonly used in the study of cessations is to constrain the large scale circulation to a plane by restricting the fluid domain to a (2-D) square cell or to a slim rectangular cell of small aspect ratio in the transversal direction. However, it is not entirely clear whether the 2-D and (quasi-)2-D reversals correspond to the same phenomenon. The present document is dedicated to the study of the large-scale flow patterns in turbulent Rayleigh-Bénard convection, and of the influence exerted by different factors on the flow structures and on their temporal evolution. The proposed characterization combines a statistical analysis with a physical approach relying on the angular momentum as well as the kinetic and potential energies to highlight the underlying physical mechanisms. We subsequently attempt to tie these mechanisms together to each of the distinctive flow patterns observed and to their evolution.
Une caractéristique remarquable de la convection de Rayleigh-Bénard qui concerne une couche de fluide horizontale chauffée par le bas et refroidie par le haut, est l’établissement spontané de l’ordre spatial et la formation d’une circulation cohérente à grande échelle. Comment les différents facteurs, tels que la géométrie du domaine et les conditions limites, influencent l’écoulement à grande échelle, restent une question ouverte. Malgré sa simplicité apparente, la convection de Rayleigh-Bénard présente une dynamique à grande échelle incroyablement riche et complexe, tels que des modes de torsion et du battement, la rotation du plan et des cessations de la circulation, qui coexistent souvent et se concourent. Une approche couramment utilisée dans l’étude des cessations, consiste à contraindre la circulation à grande échelle à un plan en limitant le domaine fluide à une cellule carrée (2D) ou à une cellule rectangulaire mince (quasi-2D). Cependant, il n’est pas tout à fait clair si les retournements 2-D et (quasi-)2-D correspondent au même phénomène. Le présent document est consacré à l’étude des modes d’écoulement à grande échelle dans la convection turbulente de Rayleigh-Bénard et de l’influence exercée par différents facteurs sur les structures d’écoulement et sur leur évolution temporelle. La caractérisation proposée combine une analyse statistique avec une approche physique s’appuyant sur le moment angulaire ainsi que sur les énergies cinétiques et potentielles pour mettre en évidence les mécanismes physiques sous-jacents. Nous essayons ensuite de relier ces mécanismes à chacun des modes d’écoulement distinctifs observés et à leur évolution.
Origine : Version validée par le jury (STAR)