Convection thermique et Instabilités
Document type :
Habilitation à diriger des recherches
Permalink :
Title :
Convection thermique et Instabilités
English title :
Thermal convection and Instabilities
Author(s) :
Thesis director(s) :
Ouarzazi, Mohamed
Defence date :
2021-07-09
Jury president :
Mojtabi, Abdelkader
Accredited body :
Université de Lille
Doctoral school :
École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
Research partners :
Unité de mécanique de Lille (URL 7512)
Keyword(s) :
Chaleur -- Convection
Instabilités hydrodynamiques
Fluides viscoélastiques
Écoulement en milieu poreux
Couches fluides
Modèle Oldroyd-B
Dissipation visqueuse
Fluides non newtoniens
Transitions de phases
Mare de fonte
Instabilités hydrodynamiques
Fluides viscoélastiques
Écoulement en milieu poreux
Couches fluides
Modèle Oldroyd-B
Dissipation visqueuse
Fluides non newtoniens
Transitions de phases
Mare de fonte
English keyword(s) :
Thermal convection
Hydrodynamic instabilities
Viscoelastic fluids
Flow in porous media
Fluid layers
Oldroyd-B model
Viscous dissipation
Non newtonian fluids
Phase change
Melt pond
Hydrodynamic instabilities
Viscoelastic fluids
Flow in porous media
Fluid layers
Oldroyd-B model
Viscous dissipation
Non newtonian fluids
Phase change
Melt pond
French abstract :
L'objectif de ce mémoire est de présenter une synthèse des travaux de recherche que j'ai menés depuis mon arrivée à l'Université de Lille en Septembre 2009. Les recherches antérieures, en particulier celles liées à ma thèse ...
Show more >L'objectif de ce mémoire est de présenter une synthèse des travaux de recherche que j'ai menés depuis mon arrivée à l'Université de Lille en Septembre 2009. Les recherches antérieures, en particulier celles liées à ma thèse de doctorat, sont laissées en dehors de la discussion. Mes recherches peuvent être organisées essentiellement en 3 axes : (i) instabilités thermoconvectives dans les fluides viscoélastiques; (ii) effets de la dissipation visqueuse sur la stabilité des problèmes de convection mixte; (iii) convection et changement de phase dans les mares de fonte; le fil conducteur étant l'étude de systèmes où la convection est générée par un gradient de température externe ou par une source de chaleur interne. Les recherches présentées s'inscrivent dans le cadre des travaux développés par l'équipe Mécanique des Fluides Complexes du Laboratoire UML (Unité de Mécanique de Lille - URL 7512). Le premier axe de recherche est le résultat d'une collaboration étroite avec Najib Ouarzazi (UML, Université de Lille), et notre intérêt réside dans la description conceptuelle de la dynamique des instabilités dans les écoulements thermoconvectifs de fluides viscoélastiques, que ce soit en milieu poreux ou dans des couches fluides en absence de matrice poreuse. Nos analyses sont basées sur une variété d'approches méthodologiques adaptées aux différents comportements que ces écoulements peuvent présenter. Ces aspects incluent la nature convective ou absolue des instabilités (caractérisant un système qui se comporte comme un oscillateur ou amplificateur des perturbations), les différentes bifurcations dues à la nature viscoélastique du fluide, les phénomènes d'instabilité primaire et secondaire. La loi constitutive d’Oldroyd-B a été adoptée dans toutes les analyses, car elle représente l'un des modèles les plus simples capables de décrire le comportement des fluides viscoélastiques. En même temps, nous avons entamé une collaboration avec Antonio Barletta et Michele Celli (Università di Bologna, Italie) concernant l'influence du chauffage visqueux sur la stabilité de la convection mixte en couches fluides et poreuses. C'est le sujet du deuxième axe de recherche décrit dans ce mémoire. Les analyses concernent aussi bien les fluides Newtoniens que viscoélastiques. Ce travail a été motivé par la nature hautement visqueuse de la plupart des fluides non-Newtoniens, et constitue une extension naturelle de nos travaux précédents où aucun effet de dissipation visqueuse n'était pris en compte. En fait, les effets du chauffage visqueux sur les instabilités thermoconvectives des écoulements non-Newtoniens sont un domaine presque inexploré, et constituent des opportunités intéressantes pour des recherches futures. Les effets déstabilisants du chauffage interne induit par dissipation visqueuse ont été étudiés via des analyses linéaires et faiblement non linéaires. Le troisième axe concerne le projet ANR JCJC « Sea-ice evolution during the Arctic Summer » (Project SEAS ANR-13-JS09-0010, 2014-2018), réalisé en collaboration avec Enrico Calzavarini, Stefano Berti, Najib Ouarzazi (UML, Université de Lille) et Martin Vancoppenolle (LOCEAN, Université Paris 6). Les études réalisées visaient à étudier les différents facteurs affectant la convection et le changement de phase dans les bassins de fonte arctiques. L'objectif principal du projet était de pouvoir améliorer les paramétrisations permettant de prendre en compte l'influence des mares de fonte dans les modèles climatiques globaux.Show less >
Show more >L'objectif de ce mémoire est de présenter une synthèse des travaux de recherche que j'ai menés depuis mon arrivée à l'Université de Lille en Septembre 2009. Les recherches antérieures, en particulier celles liées à ma thèse de doctorat, sont laissées en dehors de la discussion. Mes recherches peuvent être organisées essentiellement en 3 axes : (i) instabilités thermoconvectives dans les fluides viscoélastiques; (ii) effets de la dissipation visqueuse sur la stabilité des problèmes de convection mixte; (iii) convection et changement de phase dans les mares de fonte; le fil conducteur étant l'étude de systèmes où la convection est générée par un gradient de température externe ou par une source de chaleur interne. Les recherches présentées s'inscrivent dans le cadre des travaux développés par l'équipe Mécanique des Fluides Complexes du Laboratoire UML (Unité de Mécanique de Lille - URL 7512). Le premier axe de recherche est le résultat d'une collaboration étroite avec Najib Ouarzazi (UML, Université de Lille), et notre intérêt réside dans la description conceptuelle de la dynamique des instabilités dans les écoulements thermoconvectifs de fluides viscoélastiques, que ce soit en milieu poreux ou dans des couches fluides en absence de matrice poreuse. Nos analyses sont basées sur une variété d'approches méthodologiques adaptées aux différents comportements que ces écoulements peuvent présenter. Ces aspects incluent la nature convective ou absolue des instabilités (caractérisant un système qui se comporte comme un oscillateur ou amplificateur des perturbations), les différentes bifurcations dues à la nature viscoélastique du fluide, les phénomènes d'instabilité primaire et secondaire. La loi constitutive d’Oldroyd-B a été adoptée dans toutes les analyses, car elle représente l'un des modèles les plus simples capables de décrire le comportement des fluides viscoélastiques. En même temps, nous avons entamé une collaboration avec Antonio Barletta et Michele Celli (Università di Bologna, Italie) concernant l'influence du chauffage visqueux sur la stabilité de la convection mixte en couches fluides et poreuses. C'est le sujet du deuxième axe de recherche décrit dans ce mémoire. Les analyses concernent aussi bien les fluides Newtoniens que viscoélastiques. Ce travail a été motivé par la nature hautement visqueuse de la plupart des fluides non-Newtoniens, et constitue une extension naturelle de nos travaux précédents où aucun effet de dissipation visqueuse n'était pris en compte. En fait, les effets du chauffage visqueux sur les instabilités thermoconvectives des écoulements non-Newtoniens sont un domaine presque inexploré, et constituent des opportunités intéressantes pour des recherches futures. Les effets déstabilisants du chauffage interne induit par dissipation visqueuse ont été étudiés via des analyses linéaires et faiblement non linéaires. Le troisième axe concerne le projet ANR JCJC « Sea-ice evolution during the Arctic Summer » (Project SEAS ANR-13-JS09-0010, 2014-2018), réalisé en collaboration avec Enrico Calzavarini, Stefano Berti, Najib Ouarzazi (UML, Université de Lille) et Martin Vancoppenolle (LOCEAN, Université Paris 6). Les études réalisées visaient à étudier les différents facteurs affectant la convection et le changement de phase dans les bassins de fonte arctiques. L'objectif principal du projet était de pouvoir améliorer les paramétrisations permettant de prendre en compte l'influence des mares de fonte dans les modèles climatiques globaux.Show less >
English abstract : [en]
The aim of this mémoire is to present a synthesis of the research work I have conducted since my arrival in the Université de Lille in September 2009. Previous research, in particular the studies related to my PhD thesis, ...
Show more >The aim of this mémoire is to present a synthesis of the research work I have conducted since my arrival in the Université de Lille in September 2009. Previous research, in particular the studies related to my PhD thesis, are left outside the discussion. The investigations can be organized essentially in 3 axes : (i) thermoconvective instabilities in viscoelastic fluids; (ii) effects of viscous dissipation on the stability of mixed convection problems; (iii) convection and phase change in melt ponds; the common thread being the study of systems where convection is generated by an external temperature gradient or by an internal heat source. The research presented is part of the work developed by the Complex Fluid Mechanics team of the UML laboratory (Unité de Mécanique de Lille - URL 7512). The first research axis is a result of a close collaboration with Najib Ouarzazi (UML, Université de Lille), and our interest lies in the conceptual description of instability dynamics in thermoconvective flows of viscoelastic fluids, either in porous media or in clear fluid layers. Our analyses are based on a variety of methodological approaches befitting the different aspects of flow behavior that these flows can exhibit. Such aspects include the convective or absolute nature of the instabilities (characterizing an oscillator or amplifier behavior of the system), the different bifurcations dues to the viscoelastic nature of the fluid, primary as well as secondary instability phenomena. The Oldroyd-B constitutive law was adopted in all the analyses, as it represents one of the simplest models capable of describing the behavior of viscoelastic fluids. By the same time, we began a collaboration with Antonio Barletta and Michele Celli (Università di Bologna, Italy) concerning the influence of viscous dissipation on the stability of mixed convection in clear fluid layers and fluids saturating porous media. This is the topic of the second research axis described on this mémoire. The analyses concern Newtonian as well as viscoelastic fluids. The work has been motivated by the highly viscous nature of most non-Newtonian fluids, and is a natural extension of our previous works where no viscous dissipation effects were taken into account. In fact, the effects of viscous dissipation on thermoconvective instabilities of non-Newtonian flows is an almost unexplored domain, and constitute interesting opportunities for future research. The destabilizing effects of viscous dissipation heating were studied via linear and weakly nonlinear analyses. The third axis concerns the project ANR JCJC « Sea-ice evolution during the Arctic Summer » (Project SEAS ANR-13-JS09-0010, 2014-2018), done in collaboration with Enrico Calzavarini, Stefano Berti, Najib Ouarzazi (UML, Université de Lille) and Martin Vancoppenolle (LOCEAN, Université Paris 6). The studies performed aimed to investigate the various factors affecting convection and phase change in Arctic melt ponds. The main goal of the project was to be able to improve parametrizations allowing to account for the influence of melt pools in global climate models.Show less >
Show more >The aim of this mémoire is to present a synthesis of the research work I have conducted since my arrival in the Université de Lille in September 2009. Previous research, in particular the studies related to my PhD thesis, are left outside the discussion. The investigations can be organized essentially in 3 axes : (i) thermoconvective instabilities in viscoelastic fluids; (ii) effects of viscous dissipation on the stability of mixed convection problems; (iii) convection and phase change in melt ponds; the common thread being the study of systems where convection is generated by an external temperature gradient or by an internal heat source. The research presented is part of the work developed by the Complex Fluid Mechanics team of the UML laboratory (Unité de Mécanique de Lille - URL 7512). The first research axis is a result of a close collaboration with Najib Ouarzazi (UML, Université de Lille), and our interest lies in the conceptual description of instability dynamics in thermoconvective flows of viscoelastic fluids, either in porous media or in clear fluid layers. Our analyses are based on a variety of methodological approaches befitting the different aspects of flow behavior that these flows can exhibit. Such aspects include the convective or absolute nature of the instabilities (characterizing an oscillator or amplifier behavior of the system), the different bifurcations dues to the viscoelastic nature of the fluid, primary as well as secondary instability phenomena. The Oldroyd-B constitutive law was adopted in all the analyses, as it represents one of the simplest models capable of describing the behavior of viscoelastic fluids. By the same time, we began a collaboration with Antonio Barletta and Michele Celli (Università di Bologna, Italy) concerning the influence of viscous dissipation on the stability of mixed convection in clear fluid layers and fluids saturating porous media. This is the topic of the second research axis described on this mémoire. The analyses concern Newtonian as well as viscoelastic fluids. The work has been motivated by the highly viscous nature of most non-Newtonian fluids, and is a natural extension of our previous works where no viscous dissipation effects were taken into account. In fact, the effects of viscous dissipation on thermoconvective instabilities of non-Newtonian flows is an almost unexplored domain, and constitute interesting opportunities for future research. The destabilizing effects of viscous dissipation heating were studied via linear and weakly nonlinear analyses. The third axis concerns the project ANR JCJC « Sea-ice evolution during the Arctic Summer » (Project SEAS ANR-13-JS09-0010, 2014-2018), done in collaboration with Enrico Calzavarini, Stefano Berti, Najib Ouarzazi (UML, Université de Lille) and Martin Vancoppenolle (LOCEAN, Université Paris 6). The studies performed aimed to investigate the various factors affecting convection and phase change in Arctic melt ponds. The main goal of the project was to be able to improve parametrizations allowing to account for the influence of melt pools in global climate models.Show less >
Language :
Anglais
Français
Français
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Submission date :
2022-06-16T08:48:07Z
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