Convection versus effects de stratification // Convection versus effects of stratification

La compréhension de la convection turbulente est essentielle pour de nombreux processus naturels et industriels, comme les phénomènes météorologiques, les courants océaniques, l'efficacité énergétique des bâtiments et le refroidissement des centrales nucléaires. En mécanique des fluides, ces écoulements sont étudiés avec des modèles simplifiés : la convection de Rayleigh-Bénard, où un fond chauffé et un sommet refroidi modélisent la dynamique atmosphérique, et la convection verticale, avec des parois latérales chauffées et refroidies pour étudier la ventilation des bâtiments. L'optimisation du transfert de chaleur, l'analyse des schémas de circulation, la stratification et les écoulements de frontière figurent parmi les axes majeurs de recherche.
Des études récentes au LEGI ont révélé divers régimes d'écoulement en convection verticale dans des cavités rectangulaires avec une paroi chauffée et l'autre refroidie. Leur comportement dépend du rapport d'aspect, de la diffusion thermique et du moment, ainsi que du forçage externe, représenté par les nombres de Prandtl et de Rayleigh. Cette recherche s'est concentrée sur les écoulements laminaires et l'apparition d'instabilités en cavité bidimensionnelle, avec des effets également observés dans des écoulements tridimensionnels.
L'objectif de cette thèse est d'explorer ces régimes en convection tridimensionnelle sous différentes conditions de forçage, par exemple avec la convection de Rayleigh Benard en plus de la convection verticale, et de cartographier leur dépendance aux paramètres physiques dominants. Certains types de forçage favorisent une stratification stable, limitant le transfert thermique, tandis que d'autres renforcent la circulation à grande échelle, accélérant le transfert de chaleur. Dans des régimes intermédiaires, le système oscille entre ces états, un phénomène critique pour la sécurité des systèmes de refroidissement.
Cette recherche implique une collaboration avec le CEA Grenoble, où des expériences en hélium liquide sont prévues pour atteindre des nombres de Rayleigh très élevés. En applications géophysiques, l'étude vise à clarifier l'impact de la stratification sur la convection, notamment dans certains écoulements océaniques et atmosphériques. Les résultats permettront d'identifier les différents régimes d'écoulement, de caractériser les schémas d'écoulement et d'évaluer leur efficacité en matière de transfert de chaleur, contribuant ainsi à la poursuite de la modélisation. L'approche est principalement expérimentale et numérique, orientant le développement théorique.
L'approche expérimentale repose sur un réservoir de convection avec segments chauffants verticaux et horizontaux, offrant diverses configurations de forçage et variations de paramètres. L'utilisation de différents fluides ou de l'air permet d'explorer une large gamme de nombres de Prandtl et de Rayleigh. Les mesures sont réalisées avec des sondes thermiques et des enregistrements vidéo.
Une méthode développée au LEGI permet de mesurer les champs de température et de vitesse sur un plan entier, surpassant les mesures classiques en un seul point. Des codes de simulation numérique directe (DNS), déjà opérationnels, sont disponibles et des codes spécialisés pour l'étude des instabilités peuvent être adaptés à cette recherche.
Les encadrants sont activement impliqués, avec une à deux réunions hebdomadaires pour discuter des résultats et planifier les prochaines étapes. Ces réunions font partie du programme de travail, en complément des tutoriels initiaux pour des routines expérimentales et/ou des simulations numériques.
Les candidats doivent avoir une solide formation en physique ou mécanique des fluides, ainsi que des bases en programmation.
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Understanding turbulent convection is essential for many natural and industrial processes, from weather patterns and ocean currents to energy efficiency in buildings and cooling systems in nuclear plants. In fluid mechanics, the fundamental behavior of these flows has been studied using simplified models, such as Rayleigh-Bénard convection, where a heated bottom and cooled top are used to model atmospheric dynamics, and vertical convection, where heated and cooled sidewalls help study building ventilation. Key areas of focus include optimizing heat transfer, analyzing circulation patterns, understanding stratification effects, and examining boundary flows and plumes.
Recent research at LEGI has revealed a variety of flow patterns in vertical convection within rectangular cavities, where one sidewall is heated and the opposite side is cooled. The behavior of these flows depends on the cavity's aspect ratio, heat and momentum diffusion, and external forcing, represented by the Prandtl and Rayleigh numbers. This study focused on laminar flow and the onset of instability, specifically in a two-dimensional cavity. However, some of these effects were also observed in three-dimensional experimental flows.
The aim of this PhD research is to explore flow regimes in three-dimensional convection under different forcing conditions, for example with Rayleigh Benard convection in addition to vertical convection, and to map these regimes based on key physical parameters. Some types of forcing promote stable buoyancy stratification, reducing heat transfer, while others enhance large-scale circulation, leading to faster heat transfer. In intermediate regimes, the system oscillates between these two states—a phenomenon observed in certain heating systems and crucial for cooling safety.
This research involves collaboration with CEA Grenoble, where similar experiments in liquid helium are planned to reach extremely high Rayleigh numbers. In terms of geophysical applications, the study aims to clarify the role of stratification in convection regimes in some particular oceanic flows and the atmosphere. The findings will help identify different flow regimes, characterize flow patterns, and assess their efficiency in heat transfer, contributing to further modeling. The approach is primarily experimental and numerical, with results guiding theoretical development. Depending on the candidate's interests and strengths, they can focus on experimental work, numerical simulations, or a combination of both.
For the experimental approach, a convection tank equipped with vertical and horizontal heating segments allows for a wide range of forcing configurations, along with variations in key parameters. The use of different fluids or air enables a broad range of Prandtl and Rayleigh numbers to be explored. Measurements are taken using temperature probes and camera recordings.
A newly developed method at LEGI makes it possible to measure temperature and velocity data across an entire plane, rather than relying on traditional point-based measurements. Additionally, tested and operational Direct Numerical Simulation (DNS) codes are available, while more specialized codes for studying instabilities can be adapted for this specific research.
The thesis promoters are actively involved in the research, with one or two meetings per week to discuss results and plan the next steps. These meetings are part of the general work schedule, in addition to initial tutorials for learning the experimental routines and/or numerical simulations.
Candidates applying for this PhD should have a strong background in physics or fluid mechanics and basic programming knowledge.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Autre financement public

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Université Grenoble Alpes

105 STEP - Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes

Nous encourageons les candidats ayant une solide formation en physique ou en mécanique des fluides à postuler pour cette opportunité de doctorat. Bien que non requis, une expérience en modélisation expérimentale en mécanique des fluides et/ou en programmation numérique (comme Python, MATLAB ou des outils similaires) serait fortement appréciée.
We welcome candidates with a strong background in physics or fluid mechanics to apply for this PhD opportunity. While not required, experience with experimental modeling in fluid mechanics and/or numerical programming (such as Python, MATLAB, or similar) would be highly beneficial.