Ce travail de thèse traite des modifications de l’écoulement et des transferts de chaleur en convection naturelle. La configuration retenue est celle de la cavité différentiellement chauffée de rapport de forme 4. Les modifications sont réalisées au moyen d’une perturbation locale de faible étendue spatiale positionnée sur la paroi chaude pour une valeur du nombre de Raleigh se situant autour de la valeur critique correspondant à la transition d’un état stationnaire à une état instationnaire. Deux études complémentaires ont été menées. Une étude numérique préliminaire a été réalisée, dans laquelle une perturbation d’origine thermique a été introduite sous la forme d’un changement local de la température imposé sur la paroi isotherme. Il a été montré que l’on peut changer le régime d’écoulement depuis un état stationnaire vers un état instationnaire. De plus, les transferts de chaleur peuvent être modifiés de façon significative par un choix approprié des paramètres de la perturbation (fréquence, amplitude et position). Une étude complémentaire sur un dispositif expérimental a été conduite avec le positionnement d’un obstacle cylindrique sur la paroi chaude. Deux types d’obstacles ont été choisis : isolant et conducteur. L’impact sur la thermique et la dynamique de la longueur de l’obstacle,de sa position verticale, du nombre de Rayleigh de l’écoulement ou encore du nombre d’obstacles introduits a été analysé dans le plan vertical à mi- profondeur. / This thesis deals with the modifications of heat transfer and fluid flow in natural convection. The configuration chosen is a differentially heated cavity of aspect ratio equal to 4. The modifications are achieved using a small spatial extent disturbance located at the hot wall at a Rayleigh number value close of the critical value corresponding to the transition from steady to unsteady state. Two complementary studies were conducted. A preliminary numerical study was carried out, in which a thermal disturbance was introduced by means of a local change of the imposed temperature at the isothermal wall. It was shown that the flow regime can be changed from a steady state to an unsteady one. In addition, the heat transfers can be significantly modified by an appropriate choice of disturbance parameters (frequency, magnitude and location). An additional study, using an experimental device, was conducted by positioning a cylindrical obstacle on the hotwall. Two types of obstacles were chosen : insulating and conductive. The influence on heat transfers of the length of the obstacle, its vertical location, the Rayleigh number ofthe flow as well as the number of obstacles was analyzed in the vertical mid-depth plane.

Les effets des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle sont étudiés en régimes transitionnel et turbulent. On considère des mélanges air/H2O/CO2 confinés dans des cavités cubiques différentiellement chauffées. Des simulations numériques de référence sont entreprises jusqu'à Ra=3x108 en couplant une méthode spectrale de collocation pour l'écoulement et une méthode de lancer de rayons, associée à un modèle ADF, pour le rayonnement. Pour l'étude du régime turbulent, une modélisation des transferts radiatifs basée sur un filtrage spatial est proposée : les contributions filtrées sont résolues par la méthode de lancer de rayons sur un maillage lâche et les contributions de sous-maille sont résolues de manière analytique dans l'espace de Fourier. Ce modèle est combiné à la simulation numérique directe de l'écoulement à Ra=3x109. Les transferts radiatifs ont pour effet de diminuer la stratification thermique verticale et d'augmenter la circulation générale. Lorsque les six parois de la cavité sont noires et le gaz transparent, deux zones de stratification thermique instable apparaissent en amont des couches limites verticales. Dès Ra=5x106, une instabilité de type Rayleigh-Bénard se développe dans ces zones, induisant des écoulements instationnaires. Lorsque les parois adiabatiques sont parfaitement réfléchissantes, les parois isothermes noires et le gaz rayonnant, des écoulements instationnaires chaotiques sont obtenus à partir de Ra=3x107. Des rouleaux contra-rotatifs à la sortie des couches limites verticales sont observés, ce qui suggère qu'une instabilité de force centrifuge soit responsable de la transition.

Les effets des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle sont étudiés en régimes transitionnel et turbulent. On considère des mélanges air/H2O/CO2 confinés dans des cavités cubiques différentiellement chauffées. Des simulations numériques de référence sont entreprises jusqu'à Ra=3x108 en couplant une méthode spectrale de collocation pour l'écoulement et une méthode de lancer de rayons, associée à un modèle ADF, pour le rayonnement. Pour l'étude du régime turbulent, une modélisation des transferts radiatifs basée sur un filtrage spatial est proposée : les contributions filtrées sont résolues par la méthode de lancer de rayons sur un maillage lâche et les contributions de sous-maille sont résolues de manière analytique dans l'espace de Fourier. Ce modèle est combiné à la simulation numérique directe de l'écoulement à Ra=3x109. Les transferts radiatifs ont pour effet de diminuer la stratification thermique verticale et d’augmenter la circulation générale. Lorsque les six parois de la cavité sont noires et le gaz transparent, deux zones de stratification thermique instable apparaissent en amont des couches limites verticales. Dès Ra=5x106, une instabilité de type Rayleigh-Bénard se développe dans ces zones, induisant des écoulements instationnaires. Lorsque les parois adiabatiques sont parfaitement réfléchissantes, les parois isothermes noires et le gaz rayonnant, des écoulements instationnaires chaotiques sont obtenus à partir de Ra=3x107. Des rouleaux contra-rotatifs à la sortie des couches limites verticales sont observés, ce qui suggère qu'une instabilité de force centrifuge soit responsable de la transition. / Radiative transfer effects on natural convection flows are investigated in transitional and turbulent regimes. Air/H2O/CO2 mixtures contained in cubical differentially heated cavities are considered. Benchmark numerical simulations are carried out up to Ra=3x108 by coupling a spectral collocation method for the flow and a ray tracing method, associated with an ADF model, for radiation. In order to study the turbulent regime, a radiative transfer model based on spatial filtering is proposed: filtered contributions are solved with the ray tracing method on a coarse grid and sub-grid contributions are obtained analytically in Fourier space. This model is combined with the direct numerical simulation of the flow at Ra=3x109. The effects of radiative transfer are a decrease of the vertical thermal stratification and an increase of the flow driven in the cavity. When the six cavity walls are black and the gas is transparent, two unstably stratified zones appear upstream the vertical boundary layers. From Ra=5x106, a Rayleigh-Bénard type instability in these zones triggers the unsteadiness. When the adiabatic walls are perfectly reflecting, the isothermal walls are black and the gas is participating, unsteady chaotic flows are obtained in this case from Ra=3x107. Counter rotating rolls at the exit of the vertical boundary layers are observed, which suggests that transition to unsteadiness is due to centrifugal forces.

Les écoulements de convection naturelle en espace confiné sont généralement turbulents (grandes dimensions et/ou écarts de température importants). L'approfondissement de la connaissance de ce régime et des transferts qui y sont associés semble donc essentielle. Cette étude expérimentale concerne les mécanismes de transferts thermiques turbulents en s'appuyant sur des mesures couplées vitesse/température dans un écoulement de convection naturelle turbulente à haut nombre de Rayleigh (Ra1-1= 1,2x1011) au sein d'une cavité différentiellement chauffée de rapport de forme vertical (hauteur/largeur) égale à 4. Une chaîne de mesure PIV permet les acquisitions de vitesse tandis que la température est mesurée par micro-thermocouple de type K (0=12,7 μm). Les deux mesures étant synchronisées via un générateur de pulses type BNC®. Une attention particulière a été portée à la détermination des conditions aux limites en température des parois adiabatiques et au post traitement des données de PIV à l'aide d'une décomposition orthogonale basée sur l'énergie cinétique des champs de vitesse (POD). Cela a rendu possible, d'une part le calcul expérimental de quantités liées à la turbulence comme les flux d'enthalpie et des nombres adimensionnés pour la turbulence (Prandtl, diffusivité ... ) et, d 'autre part, l'évaluation de la contribution des autres termes des équations de Navier-Stokes (gradient de pression et terme source volumique). Enfin, une discussion sur les échelles caractéristiques de l'écoulement est menée et une comparaison avec des résultats de simulations numériques est apportée. / Natural convection flows in confined spaces are often turbulent (large dimensions and/or temperature difference ). Improving the knowledge of this type of regime and of the associated heat and mass transfers seems, therefore, to be essential. This experirnental work studies heat transfer mechanisms using coupled and synchronized measurernents of temperature and velocity in a turbulent natural convection flow at high Rayleigh number (Ra1-1=I.2 x1011) in a differentially heated cavity with a vertical aspect ratio (height/width) of 4. Velocity measurernents are acquired by PIV and temperature is measured with K-type micro-thermocouple (0=12.7 μm). Both measurementsystems are synchronized using a BNC® pulse generator. Thermal boundary conditions of the adiabatic walls and post treatment of PIV data using an orthogonal decomposition based on the kinetic energy of the flow - POD - have been considered with caution. It makes possible, on the one hand, the experimental assessment of turbulent quantities like enthalpy fluxes and dimensionless nurnber (Prandtl, diffusivity ... ) and, on the other hand the estimation of the contribution of the other terms of Navier-Stokes equations (pressure gradient and source term). Finally a discussion on characteristic scales of the flow and a comparison with numerical simulations are provided.