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I.1.2 Convection turbulente
Comme le transfert d'énergie par convection est
très intimement lié au mouvement du fluide, il est
nécessaire de connaître le mécanisme de l'écoulement
du fluide avant d'examiner celui de l'écoulement de la chaleur. Un des
plus importants aspects de l'étude hydrodynamique est d'établir
si le mouvement du fluide est laminaire ou turbulent.
La turbulence se décrit généralement
comme étant un écoulement désordonné, en temps et
en espace, opposé à l'écoulement laminaire qui est
parfaitement ordonné. Elle est imprévisible au sens qu'une petite
perturbation initiale à un instant donné s'amplifie rapidement et
rend impossible une prédiction déterministe de son
évolution. Chacun est capable de citer des éffets bien visibles
de celle-ci : Les flots tumultueux, les rafales de vent frais, la fumée
d'une cigarette ou le développement d'un filet d'eau coulant d'un
robinet, sont des phénomènes de turbulence. Et dans
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« Etude de la convection naturelle turbulente dans
une enceinte à paroi chauffé »
chacun de ces cas, on constate des structures tourbillonnaires
plus ou moins organisées, rendant l'écoulement complexe et
difficile d'appréhender les détails, d'en prédire
précisément l'évolution instantanée et locale.
La turbulence se manifeste sur toutes les quantités qui
interviennent dans la définition des écoulements et dans leurs
propriétés fondamentales et appliquées. Son investigation
expérimentale nécessite donc la mesure instantanée de
nombreuses grandeurs physiques : vitesse, température, pression, masse
volumique, indice de réfraction, champ électrique...
Les situations à aborder dans les mesures sont
variées. Il y a d'abord celles que l'on crée au laboratoire et
qui sont relativement bien définies : couches limites, jets,
sillages, modèles de turbulence isotrope ou anisotrope. Il y a
ensuite les situations plus complexes que l'on rencontre dans les
réalisations techniques actuelles (réacteurs, turbomachines,...)
ou celles qui apparaissent dans la nature (couche limite atmosphérique,
turbulence de ciel clair, nébuleuses, courants marins...) (Comte-Bellot
G., 1976). L'intermittence qui apparaît à la frontière
libre d'un écoulement turbulent exige en effet la séparation des
caractéristiques propres au champ turbulent considéré et
à l'écoulement extérieur. A l'intérieur même
d'un champ turbulent existent de grandes structures organisées en
liaison avec les instabilités et déformations imposées par
le champ de vitesse. En outre, les zones où l'énergie
cinétique est dissipée en chaleur sont concentrées en
certaines régions effilochées à travers le champ. Toutes
ces structures particulières retiennent actuellement l'attention des
chercheurs. Pour les atteindre, il faut, d'une part, disposer de capteurs
fournissant des signaux continus et, d'autres parts, réaliser les
circuits électroniques aptes à fournir les traitements
appropriés (moyennes conditionnelles, échantillonnages...).
Un écoulement turbulent présente un grand nombre
de degrés de liberté spatiale proportionnel à
Re9/4 pour une turbulence tridimensionnelle
(respectivement temporelle en Re 11/4) (Tamman H., 2004). Par
conséquent, il est difficile de prédire théoriquement son
évolution à partir des conditions initiales notamment dans la
plupart des applications industrielles. Les tourbillons présentent des
dimensions comparables à la longueur caractéristique du domaine
de l'écoulement (diamètre du canal, épaisseur de la couche
de mélange,...), les plus petites sont des structures dissipatrices
dites structures de Kolmogorov dont les dimensions sont proportionnelles
à Re -3/4 (Tamman H., 2004).
La mise en mouvement du fluide commence à
apparaître pour un nombre de Rayleigh critique d'environ Rac = 3,5 ×
104. Pour Ra < Rac le transfert thermique est purement diffusif.
Le seuil de l'instabilité est indépendant de la nature du fluide.
Ensuite avec l'augmentation du Rayleigh apparaît un régime de
convection stationnaire suivie par une zone dite de « transition vers le
chaos » caractérisée par l'apparition d'oscillations
périodiques puis instationnaire du champ de température
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et de vitesse autour de Ra = 106. Nous distinguons
ensuite le régime de turbulence douce et le régime de turbulence
dure qui apparaît autour de Ra = 2 X 108 Pour une cellule de
rapport d'aspect 0,5. Elle est établie également à partir
d'un nombre de Reynold de l'ordre de 3200.
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