劉欣. / 呈交日期: 2004年11月. / 論文(哲學博士)--香港中文大學, 2005. / 參考文獻 (p. 144-152). / Cheng jiao ri qi: 2004 nian 11 yue. / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Mode of access: World Wide Web. / Abstracts also in English. / Liu Xin. / Lun wen (Zhe xue bo shi)--Xianggang Zhong wen da xue, 2005. / Can kao wen xian (p. 144-152).

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Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Cette thèse s'intéresse à l'écoulement convectif induit par une paroi chauffante isotherme. La couche limite turbulente qui s'établit le long de celle-ci s'apparente à un panache, bien que les conditions de paroi en modifient significativement certaines caractéristiques typiques. Dans l'étude présentée, l'environnement est un milieu clos. Puisque le fluide de moindre densité s'accumule dans la partie haute de l'enceinte, une stratification en température s'établit. Afin de mieux comprendre les mécanismes qui entrent en jeu dans ce type de panache et son interaction avec le fluide ambiant, nous déployons une approche à la fois expérimentale et théorique. Sur le plan expérimental, une technique combinant Velocimétrie par Images de Particules (PIV) et Fluorescence Induite par Laser (LIF) est mise au point, et permet d'acquérir simultanément la vitesse et la température du fluide dans un plan de mesure qui couvre l'ensemble de l'écoulement. Sur le plan théorique, un modèle numérique mono-dimensionnel est développé. Il est basé sur la théorie d'entraînement de Morton et al (1956) pour la partie turbulente du panache, et tient compte de son caractère laminaire initial grâce à des solutions de similarité. Les comparaisons détaillées entre ce modèle et les résultats expérimentaux montrent les limites des modèles classiques et la pertinence des améliorations introduites. Nous évaluons notamment la contribution de la portion laminaire, et mettons en évidence le fait que le coefficient d'entraînement varie en fonction de la stratification ambiante. / This thesis focuses on the convective flow induced by a heated isotherm wall. A turbulent boundary layer develops along this wall, and resembles to a plume unlike its typical characterics are significantly modified by the boundary condition at the wall. In this study the environment is a closed box in which the lighter fluid continuously accumulates in the upper part, thus producing a temperature stratification in the interior. In order to better understand the dynamics of such a plume as well as its interaction with the ambient fluid, we deploy an approach that is both experimental and theoretical. Concerning the experiments, we developed a technique which combines Particle Image Velocimetry (PIV) with Laser Induced Fluorescence (LIF). This technique allows to simultaneously acquire the velocity and the temperature of the fluid in a plane which covers the entire flow. As concerning the theory, a one-dimensional numerical model is developed. It is based on the entrainment theory by Morton et al (1956) as for the turbulent part of the plume, and it takes into account the initial laminar character of the plume thanks to similarity solutions. The detailed comparisons between this model and the experimental results show the limits of the classical models and the relevance of the introduced improvements. In particular we evaluate the contribution of the laminar part and we highlight that the entrainment coefficient varies as a function of the ambient stratification.

La réglementation thermique sur les bâtiments en France impose le recours aux énergies renouvelables. L'énergie solaire, à la fois thermique et photovoltaïque, présente un grand potentiel en termes de disponibilité. Néanmoins, du fait de son caractère intermittent, des systèmes de stockage associés sont nécessaires. Pour ce qui est des systèmes solaires thermiques, les capteurs solaires intégrant le stockage (CSIS) ont pour avantages une grande simplicité ainsi que des coûts réduits comparés à des systèmes plus classiques. Ils permettent également d'éviter la problématique de la mise en place du stockage, les rendant ainsi adaptés à la rénovation énergétique.Le présent travail de thèse étudie les phénomènes de convection naturelle dans une cavité fermée à haut rapport de forme (H/L = 13) représentant le réservoir de stockage d'un CSIS. Dans un premier temps, un état de l'art des systèmes existants ainsi qu'une étude bibliographique de l'étude de ces systèmes et des phénomènes s'y déroulant sont réalisés. Il y est mis en évidence l'importance de la stratification des températures au sein du réservoir pour l'amélioration des performances globales du système. Dans un second temps, une étude expérimentale de la cavité est effectuée pour la compréhension des écoulements liés à la mise en place d'une stratification thermique satisfaisante, ainsi que des paramètres pouvant l'influencer. Dans cette étude, une plaque de stratification est ajoutée à l'intérieur de la cavité pour canaliser le fluide chaud ascendant, limitant ainsi le brassage. La zone de chauffe représentant l'échange entre la boucle solaire et le réservoir est placée au milieu de la face supérieure du système, résultant en une bonne stratification. Un écoulement inverse est observé au niveau de la sortie de ce canal. Ce phénomène est principalement responsable de l'écart de température obtenu entre le haut et le bas du système. Une étude numérique CFD du système a donc été conduite pour étudier l'influence de différents paramètres sur le comportement thermique et de l'écoulement. La diminution de l'écoulement inverse permet une meilleure circulation du fluide dans la globalité du système. Afin de déterminer si la stratification thermique observée dans le système de stockage conduit à une performance énergétique annuelle satisfaisante du capteur auto-stockeur, une modélisation nodale a été effectuée. Différents paramètres tels que la position de la zone d'échange entre le collecteur et le réservoir de stockage, ou encore l'épaisseur de l'isolant ont été étudiés pour quantifier leur influence sur les performances du système complet. / Thermal regulation for dwellings in France makes the resort to renewable energy mandatory. Solar energy has an important potential regarding its availability, for both thermal and photovoltaic applications. However, due to its intermittency, there is a need for a storing device. Concerning solar thermal systems, Integrated Collector Storage Solar Water Heaters (ICSSWH) have the advantage of a simple design and use combined with reduced costs compared to more classical devices. These systems also enable to avoid the problem of finding space for the installation of a storage system in an existing building, making them more suitable for energy renovation of houses.This present work studies the phenomena of natural convection in an enclosed cavity with high aspect ratio (H/L = 13) representing the storage of an ICSSWH. Firstly, a state of the art of existing systems as well as a literature review of these systems and of the phenomena occurring in them are conducted. The importance of thermal stratification inside the storage tank for the increase of global efficiency for the whole system is highlighted. Secondly, an experimental study of the cavity is performed to understand the fluid flow linked to the satisfying stratification obtained in the system, and find the parameters influencing it. In the experimental setup, a stratification plate is added inside the cavity to harness the ascending hot flow, hence limiting the mixing of fluid which is responsible for the destratification. The heated zone, which represents the exchange between the solar collector and the storage, is placed in the middle of the upper wall of the system, resulting in a good thermal stratification. A reverse flow can be observed at the channel outlet, which is the main parameter for the high temperature difference obtained between the top and the bottom of our system. A CFD study of the experimented system is then conducted to determine the influence of several parameters on the thermal and fluid flow behavior of the system. The decrease of reverse flow allows a better loop of the fluid in the whole cavity. In order to discover whether the thermal stratification observed in the storage leads to a better annual efficiency for the whole ICSSWH, a nodal model is used. Several parameters such as the position of the heat exchange zone between the collector and the storage or the insulation thickness are studied to quantify their influence on thermal stratification, and hence on the overall efficiency of the system.

La problématique des échanges turbulents en convection thermique est abordée au travers de deux écoulements complémentaires en eau, Prandtl compris entre 2.5 et 6.5.Le premier est une cellule de Rayleigh-Bénard asymétrique. La plaque chaude située au bas de la cellule présente des rugosités périodiques de taille contrôlée. La plaque froide en haut de la cellule est, au contraire, lisse. Le flux de chaleur est imposé à la plaque chaude. Dans la gamme de forçage explorée dans ce travail, les deux plaques sont indépendantes ce qui permet une comparaison in-situ entre une plaque lisse et une plaque rugueuse. Par comparaison avec des résultats de référence, nous mettons en évidence une augmentation importante du nombre de Nusselt (flux de chaleur adimensionné) associé à la plaque rugueuse alors que celui de la plaque lisse demeure inchangé. Cette augmentation semble pilotée par la hauteur des rugosités choisies.Le second écoulement étudié ici est un écoulement en canal thermique. La géométrie du dispositif permet de s'affranchir des conditions aux limites à l'injection du flux de chaleur. L'expérience étant inclinable, il est possible d'étudier les effets de la stratification sur l'écoulement, puisqu'elle est de plus en plus importante avec l'augmentation de l'inclinaison. En fonction du couple (flux de chaleur, inclinaison), quatre régimes d'écoulements distincts peuvent apparaître. Nous proposons une modélisation pour trois d'entre eux, dont un modèle d'écoulement turbulent. Ce modèle est ensuite validé à plus haut Reynolds dans une nouvelle expérience à grande échelle, qui permet d'explorer le régime de turbulence inertielle induit par l'écoulement. / The question of turbulent exchanges in thermal convection is studied with two kind of complementary flows in water, Prandtl number is kept between 2.5 and 6.5.The first one is an asymmetrical Rayleigh-Bénard cell. The hot bottom plate of the cell is covered with periodical obstacles of controlled size, whereas the cold top plate is kept smooth. The thermal flux is imposed at the hot plate. Considering the range of thermal forcing imposed to the cell, the two plates can be considered independent, which allows in-situ comparison between the smooth plate and the rough one. Comparison with reference results underlines a huge increase of the Nusslet number (non dimensional thermal transfer) of the rough plate whereas the transfer of the smooth plate remains unchanged. This increase seems to be controlled by the height of the obstacles.The second flow studied here is a thermal channel. The geometry of the apparatus allows the channel to be free of the influence of boundary conditions. By tilting the experiment, it is possible to study the influence of stratification on the flow. The larger the inclination is, the larger is the stratification. Considering the (heat flux, inclination) couple, four regimes of flow can be identified. We detailed a model for three of them, including a turbulent flow model. This model is then tested at higher Reynolds number in a new experiment at large scale. In this case the inertial range of turbulence is investigated.

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Cette thèse étudie, théoriquement et numériquement, la décorrélation verticale d’un tourbillon initialement vertical par un écoulement externe cisaillé sinusoïdalement dans un fluide stratifié. Il a été proposé qu’un tel mécanisme devrait déclencher des instabilités de cisaillement et ainsi contribuer à la production de petites échelles en turbulence fortement stratifiée, que l’on rencontre dans l’atmosphère et les océans dans une gamme d’échelles où la force de Coriolis est négligeable.La première partie de la thèse étudie les évolutions des énergies et enstrophie totales du tourbillon calculées au moyen de Simulations Numériques Directes (DNS), en fonction des paramètres de contrôle. Cette analyse montre que la dynamique est différente de celle des écoulements libres en déclin : du fait de la présence du cisaillement ambiant, la condition de saturation entre les termes d’étirement et de dissipation dans le bilan d’enstrophie globale implique que l’enstrophie maximale du tourbillon sature proportionnellement à $Re^{2/3}$, où $Re$ est le nombre de Reynolds, au lieu de $Re$. Néanmoins, cette condition de saturation ne rend pas compte de l’effet observé de la stratification.Afin de l’expliquer, la dynamique locale du tourbillon a été étudiée au travers de deux analyses asymptotiques présentées dans une deuxième partie. Une étude pour temps courts prouve que la réponse initiale du tourbillon est non-hydrostatique quelle que soit la stratification. Une autre analyse pour grande longueur d’onde fournit les équations qui décrivent l’évolution de la vitesse angulaire du tourbillon et des déformations de son axe. L’excitation d’ondes internes au début de l’évolution est à l’origine du régime non-hydrostatique initial. Le tourbillon est principalement advecté dans la direction du cisaillement ambiant mais aussi perpendiculairement du fait de son auto-induction. Sa vitesse angulaire décroît à cause d’effets dynamique et visqueux. La décroissance dynamique est dûe à un resserrement des lignes isopycnes dans le cœur du tourbillon, qui implique une atténuation de la vorticité verticale afin que la vorticité potentielle se conserve.Dans une troisième partie, des DNS révèlent que l’instabilité de cisaillement se développe seulement lorsque la stratification est modérée et la longueur d’onde du cisaillement ambiant suffisamment petite. Les résultats numériques sont comparés aux prédictions asymptotiques. En particulier, les évolutions du cisaillement vertical de vitesse horizontale et du gradient vertical de flottabilité sont prédites de manière fine et exhaustive par l’analyse asymptotique pour grande longueur d’onde lorsque le nombre de Froude est petit. Le nombre de Richardson asymptotique admet un minimum qui n’est pratiquement jamais inférieur au seuil critique $1/4$ nécessaire au déclenchement de l’instabilité de cisaillement. La saturation du cisaillement vertical est dûe au déclin du tourbillon dans les régions où le cisaillement ambiant est maximal. Ces résultats suggèrent que l’instabilité de cisaillement est difficilement déclenchée par des processus de décorrélation dans les écoulements fortement stratifiés, contredisant ainsi les conjectures précédemment formulées dans la littérature. / This thesis investigates, theoretically and numerically, the vertical decorrelation of an initially vertical vortex by an ambient sinusoidal shear flow in a stratified fluid. It has been conjectured that such process should trigger the shear instability and, as such, contribute to the generation of small scales in strongly stratified turbulence. This type of turbulence is encountered in the atmosphere and the oceans in an intermediate range of scaleswhere Coriolis effects are negligible.The first part analyses the evolutions of the total energy and enstrophy of the vortex in Direct Numerical Simulations (DNS) as functions of the control parameters. This study reveals that the dynamics differs from freely decaying flows: because of the presence of the ambient shear flow, the balance between stretching and dissipation terms in the global enstrophy budget implies that the maximum enstrophy of the vortex scales as $Re^{2/3}$, where $Re$ is the Reynolds number, instead of simply $Re$. However, such simplified balance does not account for the observed effect of the stratification.In order to overcome this difficulty, the local dynamics of the vortex has been investigated by means of two asymptotic analyses, presented in the second part. A short-time analysis first proves that the initial response of the vortex is non-hydrostatic regardless of the stratification. A long-wavelength analysis provides governing equations for the evolution of the angular velocity of the vortex and the deformations of its axis. Internal waves are excited at the start-up of the motion, explaining the initial non-hydrostatic regime. The vortex is mostly advected in the direction of the shear flow but also perpendicularly owing to the self-induced motion. Its angular velocity decays because of dynamic and viscous effects. The former effect is due to the squeezing of the isopycnals in the vortex core which implies a decrease of the vertical vorticity to conserve potential vorticity.In a third part, the DNS show that the shear instability is only triggered if the Froude number is moderate and the wavelength of the shear small enough. The numerical results are compared to the asymptotic predictions. In particular, the evolutions of the vertical shear of horizontal velocity and of the vertical buoyancy gradient for small Froude number are comprehensively and finely captured by the long-wavelength asymptotic predictions. The minimum value of the asymptotic Richardson number almost never goes below the critical threshold $1/4$ necessary for the development of the shear instability. The saturation of the vertical shear is due to the decay of the vortex in the regions of high ambient shear. These results suggest that the shear instability is not easilytriggered by decorrelation processes in strongly stratified flows in contradiction with previous conjectures.