The main objective of this thesis aims at developing a new generation of software products, in order to obtain a fully automatic simulator predicting the entire Czochralski process while handling correctly the switches between the different growth stages. First of all, new efficient, robust and high-quality automatic mesh generation algorithms with enough flexibility for any complex geometry were implemented, including a 1D mesh generator by global grade-adaptive method, a 2D initial triangulation algorithm by improved sweep line technique and an automatic 2D shape-quality unstructured mesh generator by modified incremental Delaunay refinement technique. Secondly, a Finite Element Navier-Stokes solver based on unstructured meshes was developed and validated. Enhanced turbulence models based on the classical mixing-length or k-l model, together with a generic transformation method to avoid negative k when solving the turbulent kinetic energy equation by the Newton-Raphson iterative method were introduced and implemented. Moreover, laminar and turbulent mathematical models governing the gas convection, thermal distribution and oxygen concentration were developed, and Finite Element numerical methods to solve these governing equations on unstructured meshes were implemented, while appropriate numerical approaches to capture the wall shear stress exerted by the gas flow and experienced by the silicon melt were investigated. Finally, a series of numerical experiments devoted to investigate the industrial Czochralski crystal growth process under various growth conditions are presented based on all the developments implemented. Comparisons of the simulation results with literature and available experimental observations are also presented, and conclusions are drawn based on these simulation results and observations.

Cette étude concerne la physique des écoulements convectifs résultant d'une instabilité d'évaporation de fluides binaires. Ce problème a de nombreuses applications, l'enrobage par centrifugation, le dépôt de films, les caloducs, etc, pour lesquels le changement de phase et la convection jouent un rôle prépondérant dans la conception et la qualité des procédés. Le système physique étudié est un mélange liquide sous sa propre vapeur, confiné par deux plaques conductrices de chaleur et des bords latéraux isolants. Les plaques sont utilisées pour appliquer un gradient thermique. Aucun gradient de concentration n'est imposé au système. Ces gradients sont induits par les différentes vitesses d'évaporation des composés. Dans ce système, il est important de comprendre comment la dynamique des fluides et les transferts de masse et de chaleur entrent en compétition pour la formation de structures. Le principal objectif de ce travail est d'identifier les conditions pour que le système évolue d'un état conductif vers un état de convection lorsque le gradient vertical de température dépasse une certaine valeur critique.Dans le système, la convection s'installe par trois mécanismes distincts : évaporation, gradients de densité et gradients de tension interfaciale. Trois forces convectives s'opposent aux effets de diffusion qui tendent à garder le système en état conductif. Le seuil d'apparition de la convection dépend de quelques variables, comme les dimensions du contenant, les propriétés thermophysiques des phases liquide et vapeur, la fraction massique, et les caractéristiques de perturbations. L'effet de chacune de ces variables sur le seuil est étudié en présence ou non de gravité.Pour représenter la physique, un modèle mathématique non linéaire complet est développé, basé sur les conservations de quantité de mouvement, d'énergie et de masse dans chaque phase avec les conditions aux limites appropriées. Le fluide binaire est composé de deux alcools légers comme l'éthanol et le sec-butanol. Dans les équations du modèle, la masse volumique ainsi que la tension interfaciale sont fonctions à le fois de la température et de la concentration. Pour la recherche du seuil de transition, les équations sont linéarisées autour d'un état de base connu. Dans notre cas, il s'agit de l'état conductif. Le système d'équations linéaires résultant est résolu par une méthode de collocation spectrale Chebyshev.Nous obtenons quatre résultats principaux. Premièrement, dans un système multi-composants sans gravitation, une instabilité n'apparaît que lorsque le système est chauffé du côté de la phase vapeur contrairement à un système mono-composant. Cela implique que, si on souhaite éviter les instabilités, il vaut mieux un apport de chaleur par la phase liquide en cas de processus d'évaporation en couches minces ou en micro-gravité.Deuxièmement, en présence de gravité, un système multi-composants peut devenir instable quelle que soit la direction du chauffage. Si la convection thermique est négligeable, alors nous montrons que le chauffage par la phase vapeur est la configuration la plus instable. Sinon, les deux modes de chauffage sont à même de produire une instabilité. Ce résultat implique que le gradient thermique appliqué doit être inférieur à une valeur seuil pour éviter les instabilités quelle que soit la direction du chauffage.Troisièmement, lorsque l'instabilité apparaît en absence de gravité, des structures n'apparaitront pas dans le cas de fluide pur mais apparaitront dans le cas d'un fluide multi-composants. De même, des structures apparaitront en présence de gravité en fonction du facteur d'aspect du confinement. Les facteurs d'aspect peuvent être choisis pour éviter des structures multi-cellulaires même en cas d'apparition d'instabilités durant l'évaporation.Enfin, des structures oscillantes ne sont pas prédites de façon générale malgré les effets opposés des convections solutale et thermique dans le problème d'évaporation.

Factors governing the efficiency of convective moistening in the tropical upper troposphere between 15

A droplet may be prevented from wetting a solid surface by the existence of a lubricating film of air, driven by theromcapillary convection, between liquid and solid surfaces. The noncontact nature and the load-carrying capability of a nonwetting droplet lead to potential engineering applications, e.g., low-friction bearings. The present research consists of two thrusts. The first is aimed at quantifying nonwetting-system failures (film and pinning) triggered by application of a mechanical load, gaining insights to failure mechanisms. Experimental results show that film failure occurs over a wide range of droplet volumes when the temperature difference between the droplet and the plate, the driving potential of the free-surface motion, is small. Interferometric observations reveal flow instability just prior to film failure, with the growth of a nonaxisymmetric disturbance on a free surface (m = 1). Pinning failure becomes more prevalent as the temperature difference is increased, stabilizing the film flow. As part of the present investigation, a system was devised, allowing an oscillating free-surface to be reconstructed from a series of interferograms. The dynamic responses of the free surface reveal mode coupling, with harmonics of the input frequency excited through nonlinearity. The second thrust of the research succeeded in levitating and translating a droplet using the mechanism of permanent nonwetting. In this scheme, the droplet is heated by a CO2 laser and is placed above a cooled glass surface in order to drive the lubricating film that supports the weight of the drop. Furthermore, the position of the droplet can be controlled by moving the heating location, which leads to an asymmetry of the flow fields, driving air from the cooler-end of the droplet and propelling it towards the heat source. These demonstrations suggest the techniques potential use as a liquid-delivery scheme in a Lab-On-a-Chip system. Modeling is carried out to estimate propulsive forces on the droplet and to explain oscillatory behavior observed when excessive heating is applied on the drop. The concept to sandwich a droplet between two plates, a necessary configuration for levitating smaller droplets (less than mm-scale), is also discussed.

The molten pool shape and thermocapillary convection during melting or welding of metals or alloys are self-consistently predicted from scale analysis. Determination of the molten pool shape and transport variables is crucial due to its close relationship with the strength and properties of the fusion zone. In this work, surface tension coefficient is considered to be negative, indicating an outward surface flow, whereas high Prandtl number represents a thinner thickness of the thermal boundary layer than that of momentum boundary layer. Since Marangoni number is usually very high, the domain of scaling is divided into the hot, intermediate and cold corner regions, boundary layers on the solid-liquid interface and ahead of the melting front. The results find that the width and depth of the pool, peak and secondary surface velocity, and maximum temperatures in the hot and cold corner regions can be explicitly and separately determined as functions of working variables or Marangoni, Prandtl, Peclet, Stefan, and beam power numbers. The scaled results agree with numerical data, different combinations among scaled equations, and available experimental data.

The molten pool shape and thermocapillary convection in melting or welding of metals or alloys having negative surface tension coefficients and Prandtl number greater than unity are determined from a scale analysis. Negative surface tension coefficient indicates that the surface flow is in outward direction, while Prandtl number greater than unity represents that boundary layer thickness of conduction is less than that of momentum. Determination of the molten pool shape is crucial due to its close relationship with the strength, microstructure and properties of the fusion zone. Since Marangoni and Reynolds number are usually greater than ten thousands, transport processes can be determined by scale analysis. In this work, the molten pool is divided into the hot, intermediate and cold corner regions on the flat free surface, boundary layers on the solid-liquid interface and ahead of the melting front for analysis. The results find that the pool shape, surface speed and temperature profiles can be self-consistently evaluated as functions of Marangoni, Prandtl, Peclet, Stefan, and beam power numbers. The predictions agree with numerical computations and experimental data in the literature.

The representation of deep convection in ocean models is a fundamental challenge for climate science. Here a regional simulation of the Labrador Sea circulation and convective activity obtained with the Regional Oceanic Modeling System (ROMS) over the period 1980-2009 is used to characterize the response of convection to atmospheric forcing and the variability in its seasonal cycle. This integration compares well with the sparse in time and space hydrographic surveys and ARGO data (Luo et al. 2012). It is found that convection in the convective region of the Labrador Sea has experienced variability in three key aspects over the 30 years considered. First, the magnitude of convection varies greatly at decadal scales. This aspect is supported by the in-situ observations. Second, the initiation and peak of convection (i.e. initiation and maximum) shift by two to three weeks between strong and weak convective years. Third, the duration of convection varies by approximately one month between strong and weak years. The last two changes are associated to the variability of winter and spring time heat fluxes in the Labrador Sea, while the first results from changes in both atmospheric heat fluxes and oceanic conditions through the inflow of warm Irminger Water from the boundary current system to the basin interior. Changes in heat fluxes over the Labrador Sea convective region are strongly linked to large scale modes of variability, the North Atlantic Oscillation and Arctic Oscillation. Correlations between the mode indices and the local heat fluxes in the convective area are largest in winter during strong, deep events and in spring whenever convection is shallow.

Ce travail explore expérimentalement en géométrie microfluidique, des instabilités sous champ de fluides magnétiques aqueux, aux propriétés bien caractérisées et dont les nanoparticules sont stabilisées électrostatiquement.La micro-convexion magnétique observée à l'interface miscible entre le fluide magnétique et l'eau est étudiée quantitativement dans une cellule de Hele-Shaw sous champ magnétique homogène, en particulier par vélocimétrie par image de particules. Les résultats sont comparés aux prédictions théoriques et à des simulations numériques. Au delà de la caractérisation des champs critiques, il est observé qu'une augmentation du champ H accélère la croissance des doigts, comme H2, tandis que la figure de digitation n'est pas modifiée. Une application au mélange en microfluidique est ici envisagée. L'étude de la micro-convexion a révélé une diffusion effective de coefficient beaucoup plus grand que celui des nanoparticules, tel que prédit par la formule de Stockes-Einstein ou obtenu par des mesures directes. Des explorations expérimentales montrent que cette diffusion effective provient d'un écoulement lié à la différence de densité des deux fluides. La diffusion semble influencée par les agents qui stabilisent les nanoparticules. Des gouttes de liquide magnétique concentré co-existant avec une phase diluée sont obtenues par séparation de phase induite par ajout de sel et/ou application d'un champ magnétique. Leur déformation sous champ permet de suivre l'évolution temporelle de la phase concentrée métastable. Dans un champ magnétique précessant à l'angle magique, les gouttes se comportent comme en champ tournant, sauf en ce qui concerne leur déformation initiale. / Magnetic field induced instabilities of magnetic fluids in microfluidic environment are investigated experimentally. Electrically stabilized water-based magnetic nanocolloids are used and throughout characterized.Magnetic micro-convection, observed at a miscible magnetic fluid-water interface in a Hele-Shaw cell in homogeneous field, is studied quantitatively and compared with theoretical predictions and numerical simulations, micro-convective flows being characterized by particle image velocimetry. Besides the critical field determination, it is shown that an increase of the magnetic field H speeds up the finger growth, which scales as H2, while the size of the fingering pattern is not changed. An application towards mixing enhancement in microfluidics is considered.The micro-convection study reveals a much larger effective diffusion coefficient of the nanoparticles than expected from Stokes - Einstein relation and standard determinations. Investigations with the same setup and with continuous microfluidics show that the effective diffusion mostly arises from a flow induced by the density difference between the miscible fluids. Additionally, the diffusion coefficient seems to be influenced by the particle stabilizing agents.Drops of a concentrated magnetic phase in co-existence with a dilute one are formed by phase separation after salt addition to the magnetic fluid and/or the application of a magnetic field. Their under-field shape deformations allow investigating the time evolution of the concentrated phase. Experiments show that in a precessing field at magic angle, the drops behave as in a rotating field except the initial shape deformation before quick elongation.

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.

Le but de l'étude présentée dans ce mémoire de thèse est de caractériser localement l'intensification des transferts thermiques observée le long d'une plaque chauffante lorsqu'elle est soumise à des ultrasons. Ces derniers induisent des effets hydrodynamique dans les fluides qu'ils traversent. Premièrement, la cavitation acoustique, qui permet de produire de forts effets mécaniques dans les liquides. Viens ensuite le courant acoustique qui génère une écoulement convectif sous l'action d'une dissipation visqueuse de l’énergie acoustique. Ce travaille à permis de mettre en évidence la relation existant entre ces effets hydrodynamiques et l'intensification des transferts thermiques observée. Ces résultats ont permis de définir quelles conditions expérimentales sont favorables à l'intégration d'ultrasons dans un échangeur de chaleur. / The aim of the study presented in this thesis is to characterize heat transfer enhancement by ultrasound observed along a hot plate in forced convection. These induced hydrodynamic effects in the fluids they cross. The first one is the acoustic cavitation, which can produce strong mechanical effects in liquids. The second one is the acoustic streaming which generates convective flows thanks to viscous dissipation of the acoustic energy. This work helped to highlight the relationship between ultrasound hydrodynamic effects and heat transfer enhancement. Thanks to those results, experimental conditions which allowed ultrasound integration in a heat exchangers, could be determined.