Turbulent convection in a Rayleigh-Bénard cryogenic cell : new evidences in favor of Kraichnan's Ultimate Regime
Convection turbulente dans une cellule de Rayleigh-Bénard cryogénique : de nouveaux éléments en faveur du Régime Ultime de Kraichnan
Résumé
This thesis deals with turbulent Rayleigh-Bénard convection for Rayleigh numbers (Ra) up to 10^14, thanks to the use of cryogenic helium. We focused on the convection regime appearing at Ra≈10^12. This regime has been observed and interpreted 10 years ago in Grenoble, as the transition to the R. Kraichnan Ultimate Regime of convection (1962). Two signatures of this regime had been reported : an increase of the Nusselt number (Nu) and a qualitative change of the temperature fluctuations in the bulk of the cell. This last signature has been questionned by invoking a size effect of the sensors. First, we confirm the transition previously observed, with local temperature measurements, using a thermometer ten times smaller. This work is complemented with a study of the probe size effect on the temperature measurement. Thermometers, whose size ranges from 17 microns to 2 mm, were designed for this purpose. Then we indirectly observe an instability of the thermal boundary layer, which is in agreement with predictions on the Ultimate Regime. This observation is based on temperature fluctuations measurements of the bottom plate of the cell. This transition and the one observed on the heat transfer occur at the same Ra. Finally, we exclude the hypothesis that the transition observed on the heat transfer is due to a transition of the large scale circulation in the cell, thanks to the characterization of this circulation before and after the transition.
Cette thèse est consacrée à l'étude de la convection turbulente pour des nombres de Rayleigh (Ra) pouvant atteindre 10^14 grâce à l'utilisation de l'hélium cryogénique. Nous nous intéressons plus particulièrement au régime de convection apparaissant pour Ra≈10^12. Ce régime a été observé et interprété à Grenoble il y a une dizaine d'années, comme la transition vers le Régime Ultime de la convection prédit par R. Kraichnan en 1962. Deux signatures de ce régime avaient alors été observées : une augmentation du nombre de Nusselt (Nu) ainsi qu'un changement qualitatif sur les fluctuations de température dans le cœur de la cellule, cette dernière signature ayant été contestée en invoquant un effet de taille de capteurs. Dans un premier temps, nous confirmons la transition déjà observée sur les mesures locales de température, à partir de mesures réalisées avec un thermomètre dix fois plus petit. Ce résultat est complété par une étude de l'influence de la taille des thermomètres sur les mesures. Des thermomètres dont la taille varie de 17 microns à 2 mm ont été fabriqués dans ce but. Ensuite, nous observons indirectement une instabilité de la couche limite thermique, en accord avec les prédictions sur le Régime Ultime. Cette observation est réalisée à partir de mesures des fluctuations de température de la plaque inférieure de la cellule. Cette transition et celle sur Nu interviennent pour le même Ra. Enfin, nous écartons l'hypothèse selon laquelle la transition observée sur le transfert thermique serait associée à une transition de l'écoulement à grande échelle dans la cellule, grâce à une caractérisation de cet écoulement avant et après la transition.
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