Turbulence développée dans le Grand Taylor-Couette Thermique

Ziad Ntarmouchant¹, Harminder Singh¹, Hugues Besnard¹, Antoine Bonnesoeur¹, Arnaud Prigent^1, ⋆, Innocent Mutabazi^1
⋆ : arnaud.prigent@univ-lehavre.fr
¹ LOMC, UMR 6294, CNRS Normandie Université
Mots clés : convection naturelle, turbulence développée, force centrifuge,
Résumé :

L’étude de la turbulence développée dans des écoulements tournants et soumis à des gradients thermiques importants constitue un enjeu majeur pour les échanges thermiques dans des machines tournantes. C’est pour cela qu’une plateforme expérimentale de Taylor-Couette thermique de grande dimension (THETACO) a été construite au LOMC pour étudier la turbulence développée générée par l’action simultanée de la force centrifuge due à la rotation et de la convection induite par un gradient radial de température [1]. Les cylindres intérieur et extérieur d’un mètre de hauteur, ont des rayons de 13,25 et 15,25 cm respectivement. On obtient ainsi un entrefer de 2 cm, un rapport des rayons η=0,869 et un rapport d’aspect Γ=50. Le cylindre extérieur est fixe et la vitesse de rotation maximale du cylindre intérieur permet d’atteindre un nombre de Reynolds Re_i = 0, 5 10⁶. Les températures des cylindres sont contrôlées indépendamment à ± 1%. Le cylindre intérieur peut être chauffé à 40^∘C par le rayonnement de résistances contrôlées à l’aide de pyromètres et le cylindre extérieur peut être refroidi à 10^∘C par une circulation d’eau entre lui et un cylindre d’isolation. Ainsi, la différence de température maximale agissant sur le fluide étudié est de 30^∘C correspondant à un nombre de Grashof Gr ≈ 10⁶.

Le fond et les cylindres extérieurs sont en verre transparent et permettent un accès optique complet depuis le côté ou le bas pour réaliser des mesures de vitesse par PIV et des mesures de température à l’aide de cristaux liquides thermo-chromiques. Le système est aussi équipé d’un couplemètre pour mesurer le couple en fonction du gradient thermique. Nous présentons des résultats de visualisation des structures de l’écoulement et des résultats de mesures de couple, des mesures de vitesse par PIV stéréoscopique et de température dans le plan (r-z). Cette étude s’inscrit dans une stratégie scientifique globale de caractérisation de la turbulence dans des grandes installations expérimentales de type Rayleigh-Bénard ou Taylor-Couette [2-6].

 [1] H. Singh, A. Prigent, A. Bonnesoeur, H. Besnard, C. Houssin, O. Crumeyrolle & I. Mutabazi, A large thermal turbulent Taylor-Couette (THETACO) facility for investigation of turbulence induced by simultaneous action of rotation and radial temperature gradient, Rev. Sci. Inst. 90(11), 115112 (2019).

 [2] B. Dubrulle, F. Hersant, Momentum transport and torque scaling in Taylor-Couette flow from an analogy with turbulent convection, Eur. Phys. J. B 26, (2002) 379.

 [3] B. Eckhardt, S. Grossmann, D. Lohse, Torque scaling in turbulent Taylor-Couette flow between independently rotating cylinders, J. Fluid Mech. 581, 221-250, (2007).

 [4] S. Grossmann, D. Lohse, C. Sun, High–Reynolds Number Taylor-Couette Turbulence, Ann. Rev. Fluid Mech. 48, 53-80, (2016).

 [5] S. G. Huisman, D. P. M. Van Gils, S. Grossmann, C. Sun, D. Lohse, Ultimate turbulent Taylor-Couette flow, Phys. Rev. Let. 108, 024501, (2012).

F. Chillà, M. Rastello, S. Chaumat, B. Castaing, Ultimate regime in Rayleigh–Bénard convection: The role of plates, Phys. Fluids 16, 2452-2456, (2004).

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2020-174

PDF : download