Développement auto-cohérent rapide des structures turbulentes dans les couches limites de convection naturelle à haute température

Les processus physiques à l’œuvre dans les transitions des écoulements fluides d’un régime laminaire vers un régime pleinement turbulent sont particulièrement complexes et difficiles à appréhender expérimentalement pour valider les codes de simulation numérique de la convection naturelle à haute température. La méthode SWICTA (thermoanémométrie par intercorrélation à fenêtre glissante) basée sur l’analyse spectrale et corrélative conjuguée des mesures simultanées in situ des températures et vitesses locales au moyen d’une sonde ponctuelle unique en tout point d’une couche limite de convection naturelle fortement chauffée permet d’accéder à toutes les variables thermophysiques de l’écoulement pour décrire avec précision l’évolution de sa structure spatio-temporelle tout au long de la transition. L’analyse par méthode SWICTA des bases de mesures expérimentales obtenues pour une couche limite d’air le long d’une paroi verticale fortement chauffée jusqu’à 8000 W/m2 permet d’obtenir une image précise du développement très rapide - de l’ordre de quelques secondes - d’une structure turbulente cohérente sur quelques dizaines de centimètres d’élévation de l’air ambiant, confirmée par les simulations DNS publiées. Elle conduit à la mise en évidence d’un processus naturel de sélection d’instabilités thermofluidiques de très basse fréquence, très rapidement converties en cascades de tourbillons dissipatifs conditionnés par les micro-échelles de turbulence de Taylor qui structurent très fortement la couche limite de bas en haut en une sous-couche interne - composée d’une sous-couche visqueuse contre la paroi, d’une sous-couche motrice et d’une sous-couche inertielle - et une sous-couche externe. L’analyse d’échelle de la couche limite à partir des équations thermofluidiques fournit les échelles caractéristiques turbulentes qui structurent la couche limite pendant toute la transition turbulente et explique les mécanismes produisant ces structures en un temps très court.

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