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We examine the Rayleigh–Bénard convection as modelled by the Boussinesq equation. Our aim is at deriving bounds for the heat enhancement factor in the vertical direction, the Nusselt number, which reproduce physical scalings. In the first part of the dissertation, we examine the the simpler model when the acceleration of the fluid is neglected (Pr=∞) and prove the non-optimality of the temperature background field method by showing a lower bound for the Nusselt number associated to it. In the second part we consider the full model (Pr<∞) and we prove a new upper bound which improve the existing ones (for large Pr numbers) and catches a transition at Pr~Ra^(1/3).

Le présent travail de recherche concerne l'étude de la convection de Rayleigh-Bénard-Marangoni dans un récipient cylindrique doté d'un fond en substrat solide. Le substrat solide est chauffé sur sa face inférieure par un flux de chaleur localisé. L'étude comporte deux parties : La première partie du travail consiste en une modélisation physique du problème associée à des simulations numériques. Les équations de Navier-Stokes et de l'énergie sont résolues en 3D par une méthode de volumes finis. Un transfert de chaleur conjugué solide-liquide est considéré. Des morphologies originales de cellules (type et nombre) sont observées, elles dépendent des conditions géométriques, des nombres adimensionnels qui régissent la physique de l'écoulement (nombre de Prandtl, de Rayleigh et de Marangoni ainsi que du rapport des conductivités thermiques du substrat solide et du fluide). Les transferts de chaleur sont aussi évalués pour chaque cas d'étude. Dans la deuxième partie, nous allons détaillons une étude expérimentale de la convection de Rayleigh-Bénard-Marangoni dans la même configuration que celle étudiée numériquement. Les structures convectives et leurs évolutions sont étudiées à partir d’images relevées par thermographie infra-rouge. Différents modes d'organisation des cellules convectives ont pu être mis en évidence pour ce type de chauffage à flux thermique imposé non uniforme. / The present research work concerns the study of Rayleigh-Bénard-Marangoni convection in a cylindrical container with a solid substrate base. This solid substrate is heated by a localized heat flux on its underside. The study is divided into two parts : The first part of the work consists of a physical modelling of the problem associated with numerical simulations. The Navier-Stokes and energy equations are solved by using a 3D finite volume method. A conjugate solid-liquid heat transfer is considered. Original morphology of cells (type and number) are observed, they are linked to the geometrical conditions, the dimensionless numbers which govern the physical problem (Prandtl, Rayleigh and Marangoni numbers and the ratio of solid substrate to liquid thermal conductivities). The heat transfers are also evaluated in each case. In the second part of the work, we present an experimental study of Rayleigh-Bénard-Marangoni convection in the same configuration as that studied numerically. Convective structures and their evolutions are studied from images recorded by infrared thermography. Different modes of organization of convective cells have been highlighted for this type of heating with imposed non-uniform heat flux.

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Le présent manuscrit contribue à l’étude des écoulements liquides dans des milieux poreux artificiels, plus spécifiquement dans les cas où la matrice poreuse présente des gradients de perméabilité importants, par exemple dans un milieu stratifié ou fracturé. Nous étudions l’influence de tels milieux poreux hétérogènes sur différents types d’écoulements. Ce travail est principalement expérimental, mettant en oeuvre une technique optique non-intrusive appelée effet Christiansen. Cette méthode permet de déterminer quantitativement des distributions soit de température, soit de concentration au sein d’un milieu poreux. <p><p>Trois problèmes physiques sont étudiés: tout d’abord le problème de Horton-Rodgers-Lapwood qui est l’équivalent du très connu problème de Rayleigh-Bénard mais pour un milieu poreux, ensuite les phénomènes de dispersion hydrodynamique que l’on rencontre dans des écoulements multiphasiques. Cette dispersion hydrodynamique est essentiellement envisagée comme un processus macroscopique de diffusion, renforcé par rapport à la diffusion moléculaire que l’on rencontre en milieu fluide libre. Enfin, le troisième problème englobe les écoulements capillaires en milieux poreux en environnement de pesanteur réduite. Dans le cas d’écoulements immiscibles multiphasiques, il faut prendre en considération l’effet de la tension superficielle aux interfaces. Comme les effets capillaires sont partiellement masqués par les effets de pesanteur durant des expériences au sol, une étude précise des effets de mouillage dans ces écoulements en milieu poreux nécessite de les découpler au maximum des autres effets physiques. Un programme de recherche en microgravité a été réalisé, et un nouveau modèle mathématique qui prend en compte l’influence des forces capillaires a été élaboré dans le cadre d’une collaboration entre le Service de Chimie-Physique et le Prof. N.N. Smirnov du Département de Mécanique et de Mathématique de l’Université d’Etat de Moscou.<p><p><p>La structure de ce travail part du Chapitre 1, qui présente essentiellement les milieux poreux et leurs spécificités. Ce dernier introduit le formalisme et les concepts nécessaires au traitement des trois problèmes de recherche envisagés. Le Chapitre 2 présente ensuite une étude bibliographique du problème de Horton-Rodgers-Lapwood et des phénomènes de dispersion hydrodynamique en milieux poreux. Le Chapitre 3 est consacré à l’effet Christiansen. Le Chapitre 4 présente les dispositifs de laboratoire mis au point, ainsi qu’une compilation des résultats expérimentaux obtenus. Les problèmes d’écoulements capillaires sont exposés au Chapitre 5, étant donné que la technique expérimentale est différente de celle basée sur l’effet Christiansen. Ce Chapitre compare le nouveau modèle mathématique aux résultats des expériences menées en microgravité durant de nombreuses campagnes de vols paraboliques. Le Chapitre 6 referme ce travail par ses conclusions et perspectives. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

<p align="justify">This work is a theoretical contribution to the study of thermo-hydrodynamic instabilities in fluids submitted to surface-tension (Marangoni) and buoyancy (Rayleigh) effects in layered (Benard) configurations. The driving constraint consists in a thermal (or a concentrational) gradient orthogonal to the plane of the layer(s).</p><p><p align="justify">Linear, weakly nonlinear as well as strongly nonlinear analyses are carried out, with emphasis on high Prandtl (or Schmidt) number fluids, although some results are also given for low-Prandtl number liquid metals. Attention is mostly devoted to the mechanisms responsible for the onset of complex spatio-temporal behaviours in these systems, as well as to the theoretical explanation of some existing experimental results. </p><p><p align="justify">As far as linear stability analyses (of the diffusive reference state) are concerned, a number of different effects are studied, such as Benard convection in two layers coupled at an interface (for which a general classification of instability modes is proposed), surface deformation effects and phase-change effects (non-equilibrium evaporation). Moreover, a number of different monotonous and oscillatory instability modes (leading respectively to patterns and waves in the nonlinear regime) are identified. In the case of oscillatory modes in a liquid layer with deformable interface heated from above, our analysis generalises and clarifies earlier works on the subject. A new Rayleigh-Marangoni oscillatory mode is also described for a liquid layer with an undeformable interface heated from above (coupling between internal and surface waves).</p><p><p align="justify">Weakly nonlinear analyses are then presented, first for monotonous modes in a 3D system. Emphasis is placed on the derivation of amplitude (Ginzburg-Landau) equations, with universal structure determined by the general symmetry properties of the physical system considered. These equations are thus valid outside the context of hydrodynamic instabilities, although they generally depend on a certain number of numerical coefficients which are calculated for the specific convective systems studied. The nonlinear competitions of patterns such as convective rolls, hexagons and squares is studied, showing the preference for hexagons with upflow at the centre in the surface-tension-driven case (and moderate Prandtl number), and of rolls in the buoyancy-induced case.</p><p><p align="justify">A transition to square patterns recently observed in experiments is also explained by amplitude equation analysis. The role of several fluid properties and of heat transfer conditions at the free interface is examined, for one-layer and two-layer systems. We also analyse modulation effects (spatial variation of the envelope of the patterns) in hexagonal patterns, leading to the description of secondary instabilities of supercritical hexagons (Busse balloon) in terms of phase diffusion equations, and of pentagon-heptagon defects in the hexagonal structures. In the frame of a general non-variational system of amplitude equations, we show that the pentagon-heptagon defects are generally not motionless, and may even lead to complex spatio-temporal dynamics (via a process of multiplication of defects in hexagonal structures).</p> <p><p align="justify">The onset of waves is also studied in weakly nonlinear 2D situations. The competition between travelling and standing waves is first analysed in a two-layer Rayleigh-Benard system (competition between thermal and mechanical coupling of the layers), in the vicinity of special values of the parameters for which a multiple (Takens-Bogdanov) bifurcation occurs. The behaviours in the vicinity of this point are numerically explored. Then, the interaction between waves and steady patterns with different wavenumbers is analysed. Spatially quasiperiodic (mixed) states are found to be stable in some range when the interaction between waves and patterns is non-resonant, while several transitions to chaotic dynamics (among which an infinite sequence of homoclinic bifurcations) occur when it is resonant. Some of these results have quite general validity, because they are shown to be entirely determined by quadratic interactions in amplitude equations.</p><p><p align="justify">Finally, models of strongly nonlinear surface-tension-driven convection are derived and analysed, which are thought to be representative of the transitions to thermal turbulence occurring at very high driving gradient. The role of the fastest growing modes (intrinsic length scale) is discussed, as well as scalings of steady regimes and their secondary instabilities (due to instability of the thermal boundary layer), leading to chaotic spatio-temporal dynamics whose preliminary analysis (energy spectrum) reveals features characteristic of hydrodynamic turbulence. Some of the (2D and 3D) results presented are in qualitative agreement with experiments (interfacial turbulence).</p><p><p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In this thesis, we consider two models from physics, which are characterized by the interplay of thermodynamical and fluid mechanical phenomena: demixing (spinodal decomposition) and Rayleigh--Bénard convection. In both models, we investigate the dependencies of certain intrinsic quantities on the system parameters. The first model describes a thermodynamically driven demixing process of a binary viscous fluid. During the evolution, the two components of the mixture separate into two domains of the different equilibrium volume fractions. One observes a clear tendency: Larger domains grow at the expense of smaller ones, and thus, the average domain sizes increases --- a phenomenon called coarsening. It turns out that two mechanisms are relevant for the coarsening process. At an early stage of the evolution, material transport is essentially mediated by diffusion; at a later stage, when the typical domain size exceeds a certain value, due to the viscosity of the mixture, a fluid flow sets in and becomes the relevant transport mechanism. In both regimes, the growth rates of the typical domain size obey certain power laws. In this thesis, we rigorously establish one-sided bounds on these growth rates via a priori estimates. The second model, Rayleigh--Bénard convection, describes the behavior of a fluid between two rigid horizontal plates that is heated from below and cooled from above. There are two competing heat transfer mechanisms in the system: On the one hand, thermodynamics favors a state in which temperature variations are locally minimized. Thus, in our model, the thermodynamical equilibrium state is realized by a temperature with a linearly decreasing profile, corresponding to pure conduction. On the other hand, due to differences in the densities of hot and cold fluid parcels, buoyancy forces act on the fluid. This results in an upward motion of hot parcels and a downward motion of cold parcels. We study the dependence of the average upward heat flux, measured in the so-called Nusselt number, on the temperature forcing encoded by the container height. It turns out that the efficiency of the heat transport is independent of the height of the container, and thus, the Nusselt number is a constant function of height. Using a priori estimates, we prove an upper bound on the Nusselt number that displays this dependency --- up to logarithmic errors. Further investigations on the flow pattern in Rayleigh--Bénard convection show a clear separation of length scales: Along the horizontal top and bottom plates one observes thin boundary layers in which heat is essentially conducted, whereas the large bulk is characterized by a convective heat flow. We give first rigorous results in favor of linear temperature profiles in the boundary layers, which indicate that heat is indeed essentially conducted close to the boundaries.:1 Introduction 2 Coarsening rates in binary viscous fluids 2.1 Background from physics 2.2 Background from mathematics 2.3 The model 2.4 The gradient flow structure 2.5 Heuristics 2.6 Numerical simulations 2.7 Main results 2.8 Preliminaries 2.9 Proof of upper bounds on coarsening rates 2.10 Appendix: Well-posedness and regularity of solutions 3 Scaling of the Nusselt number 3.1 Background from physics 3.2 The model and the Nusselt number 3.3 Heuristics 3.4 Main results 3.5 Scaling law in the linear regime 3.6 Preliminaries and review 3.7 Upper bound using the background field method 3.8 Upper bound using the maximum principle 3.9 Appendix: Some elementary estimates 4 The laminar boundary layer 4.1 Background, model, and motivation 4.2 Main results 4.3 Preparation: Bounds on the velocity field 4.4 On the energy distribution 4.5 Bounds on the second order derivatives of the temperature field 4.6 Bounds on the third order derivatives of the temperature field

Shang Xiandong. / "September 2002." / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2002. / Includes bibliographical references (p. 141-146). / 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 in English and Chinese.

LES MÉCANISMES DE CROISSANCE OPTIMALE DANS DES ÉCOULEMENTS DE CISAILLEMENT CONFINES, EN PARTICULIER LES ÉCOULEMENTS DE COUETTE PLAN ET POISEUILLE PLAN, LORSQU'ILS SONT SOUMIS OU NON À UN GRADIENT DE TEMPÉRATURE DÉSTABILISANT NORMAL À LA PAROI SONT ÉTUDIÉS EN DÉTAIL. DANS LE CAS D'UN FLUIDE DE BOUSSINESQ SOUMIS À UN GRADIENT DE TEMPÉRATURE TRANSVERSE, UNE ANALYSE EXHAUSTIVE DE STABILITÉ NON MODALE EST EFFECTUÉE POUR DIFFÉRENTS NOMBRES DE REYNOLDS, DE RAYLEIGH ET DE PRANDTL. ON MONTRE QUE LES LOIS D'ÉCHELLE RELATIVES À LA CROISSANCE TRANSITOIRE DANS DES ÉCOULEMENTS CISAILLES PURS SONT ROBUSTES, Y COMPRIS EN PRÉSENCE D'UN GRADIENT DE TEMPÉRATURE DÉSTABILISANT. L'EFFET DE ''LIFT-UP" RESTE LE MÉCANISME PRÉDOMINANT DE CROISSANCE TRANSITOIRE. LE MÉCANISME DE ''LIFT-UP" NON VISQUEUX CLASSIQUE CARACTÉRISE LE COMPORTEMENT AUX TEMPS COURTS ALORS QUE LE MODE PROPRE DE RAYLEIGH-BÉNARD SANS SA COMPOSANTE DE VITESSE LONGITUDINALE CARACTÉRISE LE COMPORTEMENT AUX TEMPS LONGS. LA COURBE DE GAIN OPTIMAL EST AINSI DÉCRITE ET INTERPRÉTÉE ENTIÈREMENT. DANS LE CAS D'ÉCOULEMENTS CISAILLES PURS, LE RÔLE DE TRANSFORMATION DE SQUIRE EST ÉTENDUE À LA CROISSANCE TRANSITOIRE OPTIMALE D'UNE PERTURBATION ARBITRAIRE 3D DANS LE CAS D'ÉCOULEMENTS CISAILLES PARALLÈLES D'EXTENSION TRANSVERSE FINIE. CELA PERMET AUSSI DE DÉMONTRER QUE LES CROISSANCES OPTIMALES AUX TEMPS LONGS POUR DES PERTURBATIONS DE NOMBRE D'ONDE ARBITRAIRES PEUVENT ÊTRE DÉCOMPOSÉES COMME UN PRODUIT DES GAINS RESPECTIFS RÉSULTANT DU MÉCANISME D'ORR 2D ET DU MÉCANISME DE " LIFT-UP ".

Der Bericht beschäftigt sich mit spontaner Grenzflächenkonvektion und -turbulenz beim Stoff- und Wärmeübergang an fluiden Phasengrenzen zwischen zwei nicht mischbaren Phasen. Solche Effekte sind von großer industrieller Bedeutung, da die erzielten Stoffübergangsraten um ein Vielfaches über den bei gewöhnlicher Diffusion auftretenden liegen. Zwei unterschiedliche Mechanismen sind der "Motor" für die Instabilitäten: Marangoni-Instabilität: Die Grenzflächenspannung ist eine Funktion der Temperatur und der Grenzflächenkonzentration des ausgetauschten Stoffes. Schwankungen der Temperatur und der Konzentration entlang der Phasengrenze führen folglich zu Grenzflächenspannungsgradienten. Grenzflächenspannungsgetriebene Instabilitäten äußern sich durch rollenförmige oder polygonale Konvektionszellen, Eruptionen oder Turbulenz an der Phasengrenze. Schwerkraftgetriebene Instabilität: Die Dichte ist ebenfalls eine Funktion der Temperatur und der Konzentration des gelösten Stoffes. Der Transport eines Stoffes über eine fluide Phasengrenze verändert die Zusammensetzung und die Dichte der angrenzenden Flüssigkeitsschichten, sodass instabile Dichteschichtungen auftreten können. Temperaturgradienten entstehen dabei durch Freisetzung von Reaktions- und/oder Lösungsenthalpie. Auftriebsbewegungen haben die Form von Thermiken (engl. plumes, thermals). Die Phänomene der Grenzflächenkonvektion werden in einer vertikalen Kapillarspaltgeometrie untersucht. Neben Stoffsystemen mit reaktivem Stoffübergang (Neutralisation von Karbonsäuren, Hydrolyse und Veresterung von Alkanoylhloriden) kamen auch solche mit reaktionsfreiem Stoffübergang (Karbonsäuren, Tensid) zur Anwendung. Die instabile Dichteschichtung, die durch den Konzentrationsgradienten infolge der Stoffdiffusion erzeugt wird, führt zu Auftriebskonvektion in Form von Thermiken. Die Anwesenheit einer exothermen Reaktion bewirkt eine Vergrößerung des Längenwachstums der Thermiken in der oberen Phase durch Aufprägung eines zusätzlich destabilisierenden Temperaturgradienten. In der unteren Phase kommt es dagegen zum Entstehen des doppeldiffusiven Fingerregimes bei Überlagerung des destabilisierenden Konzentrationsgradienten durch den stabilisierenden Temperaturgradienten. Beim Übergang eines Tensids konnten die für diese Stoffklasse charakteristischen Rollzellen, die durch Grenzflächenspannungsgradienten angetrieben werden, beobachtet werden. Diese Konvektionsstrukturen bleiben auf einen schmalen Bereich ober- und unterhalb der Phasengrenze beschränkt. Die Transportgleichungen für Impuls, Stoff und Wärme wurden in ihrer 2-dimensionalen Form in einen Rechenkode umgesetzt und der Übergang einer einzelnen Komponente simuliert. Die hydrodynamischen Bedingungen an der Phasengrenze wurden so formuliert, dass lokale Änderungen der Zusammensetzung und der Temperatur zu Grenzflächenspannungsgradienten führen und die Phasengrenze damit dem Marangonieffekt unterliegt. Die Stoffeigenschaften wurden mit Ausnahme der Dichte im Volumenkraftterm der Impulsgleichung als konstant angenommen, sodass dichtegetriebene Konvektionen simuliert werden können. Die verschiedenen Konvektionsformen werden durch die Simulation qualitativ gut wiedergegeben. Bei Marangonikonvektion kommt es zu einer Verschiebung des steilen Konzentrationsgradienten von der Phasengrenze in die Kerne der Phasen, was zum schnellen Absterben der Marangonikonvektion führt. Die Wiedergabe des Längenwachstums der Thermiken durch Simulation eines realen Stoffsystems ist zufriedenstellend. Ebenso gibt die Simulation eine realistische Abschätzung zu erwartender Stoffströme bei Anwesenheit hydrodynamischer Instabilitäten. Größere Abweichungen zwischen Simulation und Experiment sind jedoch bei der horizontalen Größenskala der Fingerstruktur festzustellen, die wahrscheinlich auf die Boussinesq-Approximation zurückzuführen sind.