Le transport de la chaleur et des particules est un des sujets de recherche fondamentaux de la physique des plasmas chauds confinés par des champs magnétiques, systèmes physiques qui sont étudiés dans le cadre des recherches sur la fusion thermonucléaire contrôlée. Ces phénomènes de transport sont essentiellement liés à la turbulence électromagnétique et ils sont donc extrêmement difficiles à modéliser par la théorie. Des expériences spécifiques sont alors réalisées sur des machines expérimentales, telles que les tokamaks ou les stellarators, afin d'améliorer la connaissance de ces phénomènes. Cette thèse décrit des études expérimentales de ce type réalisées sur deux tokamaks de grande dimension: Tore Supra (machine basée au CEA/Cadarache) et HL-2A (basée au South-Western Institute of Physics, Chengdu, Chine). La technique utilisée consiste à injecter, de façon modulée dans le temps, des ondes de forte puissance afin de perturber la température électronique du plasma, et des faisceaux supersoniques de particules pour en perturber la densité. La température est mesurée par l'Emission Cyclotronique Electronique et la densité par Réflectométrie micro-onde. Ces expériences on mis en évidence une convection de la chaleur vers l'intérieur du plasma (un phénomène dont l'existence est toujours controversée), et des effets dus aux termes non-diagonaux de la matrice de transport. Ces résultats ont été comparés aux modèles de transport existants. / Heat and particle transport is one of the fundamental subjects of research in the physics of hot plasmas confined by magnetic fields, a class of physical systems that are studied in the framework of research on controlled thermonuclear fusion. These transport phenomena are mainly related to electromagnetic turbulence and are therefore extremely difficult to model at a first-principle level. Specific experiments in this area, on plasma devices such as tokamaks or stellarators, are widely used to improve understanding of these phenomena. This thesis reports on experimental studies performed on two large tokamaks : Tore Supra (based at CEA/Cadarache, France) and HL-2A (based at the South-Western Institute of Physics, Chengdu, China). The technique used consists in modulated injection of wave power to perturb the electron temperature and/or of Supersonic Molecular Beams to perturb the plasma density. Temperature is then measured by Electron Cyclotron Emission and density by Reflectometry, and Fourier analysis is used to determine the transport properties. Evidence has been found of inward heat convection (a phenomenon whose existence is still controversial) as well as of peculiar effects due to the non-diagonal terms of the transport matrix. Comparison with transport models has been carried out.

Cette thèse a pour but d’étudier l’impact de la taille des grains sur la rhéologie du manteau terrestre. Nous avons proposé un nouveau modèle d’évolution de la taille des grains et montré que les états d’équilibre qu’il prévoit sont en adéquation avec les données expérimentales obtenues sur des échantillons d’olivine. Ce modèle est illustré par des simulations numériques d’une zone de cisaillement et de convection du manteau. Nous avons montré que notre formalisme favorise la localisation la déformation et modifie le régime de convection des planètes. Notre modèle propose que l’évolution d’une distribution de tailles de grains soit entièrement contrainte par l’énergie des joints de grains. Cette énergie diminue lors de la croissance normale et augmente lors de la recristallisation dynamique. Notre modèle stipule que l’énergie nécessaire à la nucléation des nouveaux grains est soustraite à l’énergie dissipée dans le matériau par les dislocations. Même lorsque les grains de taille moyenne sont en régime diffusif, les grains les plus gros se déforment en régime dislocatif, peuvent continuer à subir de la recristallisation et ainsi peuvent concourir à la réduction de la taille moyenne. Lorsque les effets de la croissance et de la nucléation se compensent, nous pouvons comparer l’état d’équilibre obtenu avec les données expérimentales. Nous montrons que le partitionnement de l’énergie fournie dépend principalement de la température. Ce modèle est ensuite testé dans une simulation numérique de zone de cisaillement. Dans ce système, selon la température, la contrainte déviatorique et la taille des grains, la déformation peut s’effectuer en régime de diffusion ou en régime de dislocation. Contrairement à nos attentes, notre modèle montre que la déformation se localise moins efficacement lorsque le cœur de la zone de cisaillement passe en régime de diffusion. La taille des grains semble favoriser l’apparition des zones de cisaillement en y baissant la viscosité mais ne semble pas localiser intrinsèquement la déformation. Finalement, nous avons testé notre équation de l’évolution de la taille des grains à l’aide de simulations numériques de convection du manteau. La température étant élevée dans le manteau, nous avons considéré que les grains étaient tous dans l’état d’équilibre prévu par notre modèle. Nous avons observé que la taille des grains peut suffire à modifier le régime de convection des planètes en créant une couche très non-Newtonienne dans leur lithosphère. Cette thèse a montré que la taille des grains influence fortement la dynamique des planètes en localisant la déformation à leur surface. Le nouveau modèle qu’elle propose apporte une vue nouvelle sur la création et l’entretien du régime de tectonique des plaques. / In this thesis, I studied the impact of grain size on the rheology of the mantle of the Earth. We propose a new model of grain size evolution and show that the equilibrium states it predicts are in good agreement with the experimental data obtained on olivine samples. This model is illustrated by numerical simulations of mantle convection and shear zones. I show that our formalism has a non-negligible effect on the localization of deformation in shear zones and strongly modifies the convection regimes of planets. In our formalism, we propose that the energy of a grain size distribution is fully constrained by the energy of the grain boundaries. This energy diminishes during grain growth and increases during dynamic recrystallization. Our model stipulates that the amount of energy required to nucleate new grains, which is a dislocation-assisted process, is substracted to the energy dissipated in the material. We also show that even when the mean grain size is located in the diffusion regime, the biggest grains of the distribution can remain in the dislocation regime and continue to nucleate smaller grains. Thus, the mean grain size can decrease, even in the diffusion regime. When the growth and recrystallization processes are equivalent, the grain size distribution reaches an equilibrium state which can be compared with experimental data (various published olivine piezometers). The experimental calibration of our model shows that the partitioning of energy is principally temperature-dependent. I test this new model in a fully viscous numerical simulation of shear zone with a non-Newtonian- grain size-dependent viscosity. In this system, depending on the temperature, grain size or thermal state, the deformation can locally operate in diffusion or dislocation regime. Paradoxally, my model shows that the deformation is more localized when the shear zone is in the dislocation regime, where the viscosity does not depend on grain size. We observe that the grain size parameter tends to favor the apparition of shear zones because it minors the stress field but is insufficient to localize deformation in the case of a constant plate velocity. A grain size-activated localization of deformation seems to require a time-dependent stimulation which is typically obtained in visco-elasto-plastic configurations. Finally, I have tested our grain size evolution model, in its static form, in a set of numerical simulations of mantle convection. Our model shows that the grain size reaches its equilibrium very quickly in sub-lithospheric conditions. Thus, I have considered that the grain size distribution is always in the equilibrium state predicted but our model. I show that the consideration of the grain size parameter can fully modify the convection regimes of telluric planets. When surface stresses are high enough to reach the diffusion regime, the stagnant lid usually obtained with very temperature-dependent viscosities is broken by a very non-Newtonian and grain size-dependent top layer. This thesis shows that grain size strongly influences the dynamics of planets in localizing the deformation in their surfaces. The model we propose brings a new view of the creation of plate tectonics at the surface of the Earth.

Tam Wai Shing = 穩態環流的熱傳送與縱橫比之關係及其與湍流狀態的瑞利-伯纳德對流之聯繫 / 譚偉誠. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2006. / Includes bibliographical references (leaves 59-61). / Text in English; abstracts in English and Chinese. / Tam Wai Shing = Wen tai huan liu de re chuan song yu zong heng bi zhi guan xi ji qi yu tuan liu zhuang tai de Ruili-Bonade dui liu zhi lian xi / Tan Weicheng. / Chapter 1 --- Introduction --- p.1 / Chapter 2 --- Review of the theoretical studies of heat transport by turbulent convection --- p.5 / Chapter 2.1 --- The marginal stability arguments --- p.7 / Chapter 2.2 --- Chicago mixing zone model --- p.7 / Chapter 2.3 --- Shraiman and Siggia theory --- p.10 / Chapter 2.4 --- Grossmann and Lohse Theory --- p.12 / Chapter 2.4.1 --- Estimation of the kinetic dissipation --- p.13 / Chapter 2.4.2 --- Estimation of the thermal dissipation --- p.14 / Chapter 2.4.3 --- The four regimes --- p.15 / Chapter 3 --- Aspect-ratio dependence: The problem studied --- p.19 / Chapter 3.1 --- The velocity field --- p.21 / Chapter 3.1.1 --- Incompressible flow --- p.21 / Chapter 3.1.2 --- Large-scale circulating flow --- p.21 / Chapter 3.1.3 --- No-slip boundary conditions --- p.22 / Chapter 3.2 --- The functions f(x) and g(y) --- p.23 / Chapter 3.3 --- Boundary conditions for the temperature field --- p.23 / Chapter 3.4 --- Important parameters in the numerical calculation --- p.24 / Chapter 4 --- The numerical calculations --- p.31 / Chapter 5 --- Results and discussions --- p.34 / Chapter 5.1 --- Nu-Г Relationship --- p.38 / Chapter 5.2 --- Nu - Pe Relationship --- p.41 / Chapter 6 --- Implications for heat transport by Rayleigh-Benard convection --- p.49 / Chapter 6.1 --- Nu-Ra relationship --- p.50 / Chapter 6.2 --- Comparison with recent experimental results --- p.52 / Chapter 7 --- Conclusions --- p.57 / Bibliography --- p.59

In the first part of the thesis, we carried out direct two-dimensional (2D) multipoint measurements of the velocity fields in a turbulent Rayleigh-Benard convection cell to study the properties of small-scale convective turbulence. The local homogeneity and isotropy of the velocity field are tested using a number of criteria and are found to hold to an excellent degree. The properties of velocity circulation Gammar are also studied. The results show that the circulation appears to be more effective to capture the effect of local anisotropy than the velocity field itself. The distribution of Gammar is found to depend on the scale r, reflecting strong intermittency. It is further found that velocity circulation has the same anomalous scaling exponents as the longitudinal and transverse structure functions for low-order moments (p ≲ 5). Whereas, for high-order moments (p ≳ 5), the anomalous scaling exponents for circulation are found to be systematically smaller than the scaling exponents of the longitudinal and transverse structure functions. / In the second part of the thesis, the simultaneous visualization of the temperature and velocity fields was used to study the properties of thermal plumes. Our visualization reveals the process of the morphological evolution between sheetlike and mushroomlike plumes, which were also quantified by the height dependence of plume numbers and of vorticity fluctuations. A direct connection between the heat transport and coherent structures, i.e. thermal plumes, was established, which shows that it is plume number that primarily determines the Nu-Ra scaling relation. Individual plumes were extracted and their statistical and geometric properties were studied. It is found that the log-normal distribution is universal for thermal plumes and the log-normal statistics may be used to model them. In addition, both our quantitative characteristic and direct 3D spatial visualizations indicate that the previously-believed sheetlike plumes should be reconsidered to be only one-dimensional structures. / In the third part of the thesis, the planar laser-induced fluorescence technique was induced to study the 2D passive scalar mixing in high-Schmidt-number buoyancy-driven turbulence. The passive scalar mixing evolution was studied and various geometric properties, such as shape complexity, fractal dimension and local curvature, were used to characterize the isoconcentration contours of the 2D passive scalar fields. It is found that when the flow gets more turbulent the shape of passive scalar packets becomes closer to a circular shape and the passive scalar mixing becomes more isotropic, indicating the increased mixing and stirring of the turbulent flow. / The objective of this thesis is to address the following three key issues in turbulent thermal convection, i.e. turbulent fluctuations in small scales, coherent structures and passive scalar mixing in buoyancy-driven turbulence. / Zhou, Quan = 對流熱湍流中能量級串, 相干結構和標量場混合的实验研究 / 周全. / Adviser: Ke-Qing Xia. / Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 70-06, Section: B, page: 3576. / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2008. / Includes bibliographical references (leaves 103-117). / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Electronic reproduction. [Ann Arbor, MI] : ProQuest Information and Learning, [200-] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Abstracts in English and Chinese. / School code: 1307. / Zhou, Quan = Dui liu re tuan liu zhong neng liang ji chuan, xiang gan jie gou he biao liang chang hun he de shi yan yan jiu / Zhou Quan.

Magnetic fluid flow by thermomagnetic convection with and without buoyancy was studied in experiments and computational simulations. A mineral oil based ferro magnetic fluid was subjected to varying magnetic fields to induce thermomagnetic convection. As such fluids are mainly developed to increase heat transfer for cooling the fundamental effects on magnetic fluid flow was investigated using various magnetic field distributions. Computational simulations of natural and thermomagnetic convection are based on a Finite-Element technique and considered a constant magnetic field gradient, a realistic magnetic field generated by a permanent magnet and alternating magnetic fields. The magnetic field within the fluid domain was calculated by the magneto-static Maxwell equations and considered in an additional magnetic body force known as the Kelvin body force by numerical simulations. The computational model coupled the solutions of the magnetic field equations with the heat and fluid flow equations. Experiments to investigate thermomagnetic convection in the presence of terrestrial gravity used infrared thermography to record temperature fields that are validated by a corresponding numerical analysis. All configurations were chosen to investigate the response of the magnetic fluid to the applied body forces and their competition by varying the magnetic field intensity and its spatial distribution. As both body forces are temperature dependent, situations were analysed numerically and experimentally to give an indication of the degree by which heat transfer may be enhanced or reduced. Results demonstrate that the Kelvin body force can be much stronger than buoyancy and can induce convection where buoyancy is not able to. This was evident in a transition area if parts of a fluid domain are not fully magnetically saturated. Results for the transition from natural convection to thermomagnetic convection suggest that the domain of influence of the Kelvin body force is aligned with the dominance of the respective body force. To characterise the transition a body force ratio of the Kelvin body force to buoyancy was developed that identified the respective driving forces of the convection cells. The effects on heat transfer was quantified by the Nusselt number and a suitable Rayleigh number. A modified Rayleigh number was used when both body forces were active to define an effective body force by taking the relative orientation of both forces into account. Results for the alternating magnetic field presented flow fields that altered with the frequency of the applied magnetic field but with varying amplitude. This affected the heat transfer that alternated with the frequency but failed to respond instantaneously and a phase lag was observed which was characterised by three different time scales.

La théorie de la tectonique des plaques permet de décrire les mouvements de premier ordre qui opèrent à la surface de la Terre. S'il est acquis que la convection dans le manteau terrestre en est le moteur, les liens entre les phénomènes profonds et les caractéristiques tectoniques de la surface restent largement méconnus. Jusqu'à très récemment, les modèles de convection du manteau terrestre ne produisaient pas de tectonique de surface pouvant être comparée à celle de la Terre. Récemment, des modèles globaux de convection qui reproduisent une tectonique de surface comparable à la Terre au premier ordre ont été mis au point. Ces modèles produisent des courants mantelliques ascendants et descendants de grande échelle et des déformations localisées en surface dans les zones de divergence et les zones de convergence. Ils génèrent une expansion des fonds océaniques de manière auto-cohérente proche de celle reconstruite pour les 200 derniers millions d'années de l'histoire de la Terre et une dérive de continents similaire à celle observée grâce au paléomagnétisme. Cette thèse s'inscrit parmi les premières tentatives d'utilisation de modèles de convection sphériques auto-organisés à des fins de compréhension de la tectonique de surface. La tectonique produite dans ce type de modèles de convection sera caractérisée finement à travers l'étude des limites de plaques, de leur agencement et de leurs vitesses de déplacement. L'objectif est de pouvoir comparer qualitativement et quantitativement les résultats des calculs de convection avec les reconstructions des mouvements de la surface terrestre grâce à la tectonique des plaques et aux observations de terrain. Dans cette optique, les limites tectoniques ont été définies à la main dans un premier temps afin de comprendre la physique qui gouverne l'agencement caractéristique des plaques tectoniques terrestres. En effet, celle-ci est composée de sept grandes plaques et plusieurs petites dont la répartition statistique indique deux processus de mise en place distincts. Nous avons déterminé les processus responsables de la mise en place de l'agencement caractéristique des plaques tectoniques en surface en faisant varier la résistance de la lithosphère. Plus la lithosphère est résistante, plus la longueur totale et la courbure des zones de subduction diminue à la surface des modèles. Cela s'accompagne également d'une diminution du nombre de petites plaques. En étudiant la fragmentation au niveau des jonctions triples, nous avons montré que les petites plaques étaient associées aux géométries courbées des fosses océaniques. En revanche, les grandes plaques sont contrôlées par les grandes longueurs d'onde de la convection mantellique. Ces deux processus impliquent deux temps de réorganisation, c'est-à-dire l'apparition et la disparition d'une plaque plongeante dans le manteau terrestre (environ 100 millions d'années) pour les grandes plaques, alors que l'échelle de temps de réorganisation des petites plaques dépend des mouvements des fosses et est ainsi plus rapide d'un ordre de grandeur. Afin d'effectuer des analyses quantitatives rapides, des méthodes d'analyse automatique de la surface et de l'intérieur des modèles ont été développées. La première technique concerne la détection automatique des plaques tectoniques à la surface des modèles (ADOPT). ADOPT est un outil de détection basé sur une technique de segmentation d'images utilisée pour détecter des bassins versants. Les champs à la surface des modèles sont transformés en reliefs, soit directement, soit après un processus de filtrage. Cette détection permet d'obtenir des polygones de plaques comparable aux analyses réalisées à la main. Une autre technique de détection a été mise au point pour étudier les panaches mantelliques [etc...] / Plate tectonics theory describes first order surface motions at the surface of the Earth. Although it is agreed upon that convection in the mantle drives the plates, the relationships between deep dynamics and surface tectonics are still largely unknown. Until recently, mantle convection models could not produce surface tectonics that could be compared to that of the Earth. New global models are able to form large-scale ascending and descending mantle currents, as well as narrow regions of localized deformation at the surface where convergence and divergence occur. These models selfconsistently generate an expansion of the oceanic floor similar to that of the last 200 million years on Earth, and continental drift similar to what can be reconstructed with palaeomagnetism. This Ph.D. thesis constitutes one of the first attempts to use self-organised, spherical convection models in order to better understand surface tectonics. Here, the tectonics produced by the models is finely charaterized through the study of plate boundaries, their organisation and their velocities. The goal is to be able to compare qualitatively and quantitatively the results of convection computations with surface motions, as reconstructed using the rules of plate tectonics and field observations. Plate boundaries emerging from the models were first traced and analyzed by hand so as to understand the physics that govern the typical organization of the tectonics plates on Earth. It is characterised by seven large plates and several smaller ones, following a statistical distribution that suggests that two distinct physical processes control the plates’ layout. We have determined the processes responsible for this distribution while varying the strength of the lithosphere (the yield stress). In our models, the stronger the lithosphere, the greater the total subduction length and their curvature, and the fewer the small plates. By studying surface fragmentation with triple junctions, we showed that the formation of small plates is associated with oceanic trench curvature. Large plates, however, are controlled by the long wavelengths of the convection cells. These two processes involve two different reorganisation times, controlled either by the accretion and the subduction of the large plates (about 100 Myrs), or by trench motions for the smaller plates. In order to improve the efficiency of our analysis, we have developed automated methods to study the surface and the interior of the models. The first technique is about detecting the tectonic plates automatically at the surface of the models. It is called ADOPT. It is a tool based on image segmentation technique to detect the watersheds. The surface fields of the convection models are converted into a relief field, either directly or using a distance method. This automatic detection allows to obtain plates polygons similar to the hand analysis. Another technique of detection has been developed to study mantle plumes. These analyzes were used to determine the driving forces behind the plates layout, to quantify the timing of reorganizations and to evaluate the implication of the models rheology on the surface distribution. These new analytical tools and the constant evolution of the quality of mantle convection models allow us to improve our understanding of the link between mantle dynamics and surface tectonics, but also to target necessary improvements in the convection models used

Many highly developed physical models poorly approximate actual physical systems due to natural random noise. For example, convection in the earth's mantle—a fundamental process for understanding the geochemical makeup of the earth's crust and the geologic history of the earth—exhibits chaotic behavior, so it is difficult to model accurately. In addition, it is impossible to directly measure temperature and fluid viscosity in the mantle, and any indirect measurements are not guaranteed to be highly accurate. Over the last 50 years, mathematicians have developed a rigorous framework for reconciling noisy observations with reasonable physical models, a technique called data assimilation. We apply data assimilation to the problem of mantle convection with the infinite-Prandtl Boussinesq approximation to the Navier-Stokes equations as the model, providing rigorous conditions that guarantee synchronization between the observational system and the model. We validate these rigorous results through numerical simulations powered by a flexible new Python package, Dedalus. This methodology, including the simulation and post-processing code, may be generalized to many other systems. The numerical simulations show that the rigorous synchronization conditions are not sharp; that is, synchronization may occur even when the conditions are not met. These simulations also cast some light on the true relationships between the system parameters that are required in order to achieve synchronization. To conclude, we conduct experiments for two closely related data assimilation problems to further demonstrate the limitations of the rigorous results and to test the flexibility of data assimilation for mantle-like systems.

Les modèles d'ascendance convective utilisés actuellement dans les paramétrisations de la convection ne prennent pas en compte explicitement le terme de pression non-hydrostatique, bien que son rôle fondamental soit documenté et expliqué depuis les années 70. Pour palier cette limitation, un modèle anélastique pronostique à deux colonnes d'une ascendance convective,prenant en compte explicitement le terme de pression non-hydrostatique, a été développé avec une géométrie 2D et 3D. Des fonctions de forme sont introduites pour réduire l'impact de la basse résolution horizontale. Trois paramètres doivent être prescrits : la hauteur et le rapport d'aspect de l'ascendance ainsi que la taille totale de la cellule convective. Le modèle est évalué en utilisant des profils de flottabilité idéalisés et constants, puis en s'appuyant sur une simulation LES de développement diurne de la convection profonde. Le comportement du modèle est en accord avec notre connaissance de la pression non hydrostatique à l'intérieur des nuages et de son rôle.L'ascendance simulée atteint rapidement un état stationnaire (5 min) en réponse au champ de flottabilité. Ainsi une version diagnostique a été développée, confirmant les résultats de la version pronostique. Sous le cœur de l'ascendance, un gradient de pression dirigé vers le bas est simulé permettant à l'ascendance de franchir la barrière d'inhibition convective. La future implémentation de ce modèle dans un schéma de convection, pour remplacer les formulations des modèles d'ascendance actuelles, devrait permettre d'augmenter la durée des évènements convectifs. / A simple anelastic 2-columns pronostic model of convective updraft accounting explicitly for thenon-hydrostatic pressure term is developed with 2D and 3D geometries. Shape fonctions areintroduced to overcome the low horizontal resolution. Three parameters must be prescribed :updraft depth, aspect ratio and total cell size. The model is tested for constant idealized buoyancyprofiles and successfully evaluated against a LES simulation of daytime development of deepconvection. The model behaviour agrees with our understanding of the non-hydrostatic pressurewithin clouds. The simulated updraft quickly reaches a steady state (5 min) in response to thebuoyancy field. So a diagnostic version has also been developped, confirming results of thepronostic version. Below an updraft core, a downward pressure gradient is simulated allowing theupdraft to overcome a barrier of convective inhibition. The further implementation of this modelwithin a convection scheme to replace a drag formulation of the updraft model, is expected toincrease the duration of convective events.

Cette thèse, à la fois numérique et expérimentale, porte sur l’étude du transfert de chaleur par convection naturelle qui apparait au sein d’une cavité hémisphérique en régime stationnaire. L’enceinte est remplie d’eau ou de nanofluide de type eau / ZnO. La fraction volumique varie entre 0 (eau pure) et 10%. La coupole de la cavité est maintenue à température froide. Ce travail s’applique au domaine de l’ingénierie électronique et plus particulièrement au refroidissement des composants actifs de différentes formes. Trois géométries de sources de chaleur sont étudiées : la première est plane et circulaire (disque) et les suivantes, centrées sur le disque, de même surface d’échange, sont cubique et hémisphérique. L’angle d’inclinaison du disque varie entre 0 (coupole orientée vers le haut) et 180° (coupole orientée vers le bas) par rapport au plan horizontal. Les sources de chaleur génèrent des puissances qui conduisent à des Rayleigh importants. L’approche numérique est effectuée à l’aide de la méthode des volumes finis basée sur l’algorithme SIMPLE et un modèle monophasique. Pour chaque source active, le transfert de chaleur convectif est analysé et quantifié par l’intermédiaire d’une corrélation du type Nusselt-Rayleigh-Prandtl-angle d’inclinaison. D’un point de vue expérimental, la fabrication des sources de chaleur est minutieusement décrite étape par étape et le calcul du coefficient de transfert convectif moyen expérimental est détaillé. La comparaison mesures-corrélations remet en question l’efficacité du nanofluide en termes de refroidissement. / This numerical and experimental thesis deals with natural convective heat transfer that occurs in a hemispherical cavity in steady state. The enclosure is filled with water or ZnO / water nanofluid. The volume fraction varies between 0% (pure water) and 10%. The coupola of the cavity is kept at a cold temperature. This work corresponds to the field of electronics and the cooling of different actives composants. Three active heating sources are studied: the first one is plane and circular (the disc) and the followings, centered on the disc with the same surface, are cubical and hemispherical. The tilted angle varies between 0 (dome facing upwards) and 180° (dome facing downwards) with respect to the horizontal plane. Heat sources generate important heat fluxes leading to high Rayleigh numbers values. Numerical approach is done by means of the volume control method based on the SIMPLE algorithm and using monophasic model. For each active source, the convective heat transfer is analyzed and quantified by means of a correlation of the Nusselt-Rayleig-Prandtl-tilt angle type. Experimentally, the heat sources are built step by step and the average convective heat transfer coefficient is calculated. The comparison measures-correlations questions on the cooling nanofluid’s efficiency.

L'objectif de cette thèse est de contribuer à la simulation numérique des transferts de chaleur par conduction dans les parois, par rayonnement et par convection thermosolutale dans des cavités fermées ou dans des conduites. Dans la plupart des cas pratiques, les trois modes de transfert de chaleur sont fortement couplés lorsque le fluide en mouvement est un mélange de gaz. Le transfert de chaleur par convection naturelle associé à la condensation surfacique dans une cavité à deux dimensions, remplie d'air humide a été étudié numériquement. Les parois verticales, d'épaisseur finie, sont en contact avec une ambiance extérieure froide. La modélisation faiblement compressible permet à la fois de tenir compte de la diminution de la masse du mélange et de la pression thermodynamique. Egalement, une étude de la convection mixte associée à l'évaporation d'un film liquide ruisselant sur les deux parois d'un canal vertical a été menée. Les effets des forces d'Archimède thermique et solutale sur le développement de l'écoulement ont été montrés. Les résultats ont été obtenus en considérant que les propriétés du mélange sont constantes ou basées sur la règle d'un tiers. Deux mélanges binaires de gaz parfaits air-vapeur et air-hexane ont été considérés en vertu de diverses conditions aux limites