Turbulent convection in Rayleigh-Bénard cells with modified boundary conditions
Convection turbulente dans les cellules de Rayleigh-Bénard avec des conditions limites modifiées
Résumé
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. This work is composed of three parts.
In the first part, we study the structure and the temporal evolution of the large-scale
flow inside a square (2D) Rayleigh-Bénard cell. 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 temporal evolution.
In the second part, we focus on the changes in the large-scale flow resulting from imposing
a stress-free surface on a square (2D) Rayleigh-Bénard cell, thus breaking the top/bottom
symmetry. This configuration exhibits a lower bulk temperature, enhanced heat-flux and
increased fluctuations with respect to the classical case.
In the last part, we focus on the changes in the large-scale flow resulting from imposing a
strong degree of lateral confinement on a slim rectangular (3D) Rayleigh-Bénard cell. This
configuration exhibits the formation of large coherent structures in the vertical direction,
or turbulent channels, instead of a system-wide circulation. Confinement also exhibits a
strong influence on several global quantities such as the Nusselt and Reynolds numbers. In
order to assist in the exploration of the severely confined regime, we develop and validate
a reduced dimensionality model with inertial corrections. Using this model, we are able to
explore the parameter space and provide further insight in the limit of strong confinement.
Except where otherwise noted this work is licensed under https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/
Le présent document est consacré à l’étude des écoulements à grande échelle dans la
convection turbulente de Rayleigh-Bénard, et de l’influence exercée par différents facteurs
sur leur structure et leur évolution temporelle. Ce travail se compose de trois parties.
Dans la première partie, nous étudions la structure et l’évolution temporelle des écoulements
à grande échelle à l’intérieur d’une cellule carré (2D) de type Rayleigh-Bénard. La
caractérisation proposée mélange une approche statistique avec une approche physique
en s’appuyant sur l’évolution du moment cinétique angulaire ainsi que sur l’évolution
des énergies cinétiques et potentiel disponibles, pour mettre en évidence les mécanismes
physiques sous-jacents. Nous essayons par la suite de relier ces mécanismes aux structures
persistantes observées et à leur évolution temporelle.
Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les changements dans la circulation à
grande échelle résultant de l’imposition d’une condition de surface libre dans une cellule
carré (2D) de type Rayleigh-Bénard, ainsi brisant la symétrie haut/bas. Cette configuration
présente une température moyenne plus faible, un flux de chaleur amélioré et des
fluctuations accrues par rapport au cas classique.
Dans la dernière partie, nous nous concentrons sur les changements dans la circulation à
grande échelle, cette fois résultant de l’imposition d’un fort degré de confinement latéral
dans une cellular rectangulaire mince (3D) de type Rayleigh-Bénard. Cette configuration
présente la formation des grandes structures cohérentes dans la direction verticale, connues
sous le nom des canaux turbulents, au lieu d’une circulation à l’échelle du système. Le
confinement présente également une forte influence sur différentes quantités globales, tels
que les numéros de Nusselt et Reynolds. Afin d’aider à l’exploration du régime sévèrement
confiné, nous développons et validons un modèle de dimensionnalité réduit avec corrections
inertielles. En utilisant ce modèle, nous sommes en mesure d’explorer l’espace des
paramètres et effectuer des observations dans la limite d’un fort confinement.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
|---|