La convection verticale est le mouvement du fluide induit par le chauffage et le refroidissement de deux limites verticales opposées d’une cavité rectangulaire. Elle joue un rôle important pour le refroidissement des réacteurs nucléaire, mais aussi pour la circulation dans les bâtiments et la qualité de l’air (transport de virus et bactérie, poussière, distribution de chaleur etc). Afin d’identifiés les lacunes et défis scientifiques, les effets de la flottabilité et de la turbulence externe sont explorés et il est démontré qu’ils influencent l’étendue horizontale de l’expulsion des agents infectieux dans les espaces complexes par des mécanismes distincts qui inhibent la pénétration et améliorent le mélange (Eames & Flór, 2022).
Également, la stabilité linéaire d’un écoulement bi-dimensionnel a été étudié pour des nombres de Rayleigh critique. En fonction du nombre de Prandtl, Pr, et du rapport aspect du domaine, A, l’écoulement de base de chaque cas est calculé numériquement et des simulations linéaires sont utilisées pour obtenir les propriétés du principal mode d’instabilité linéaire. Les régimes d’écoulement dépendent de la présence de la circulation dans la cavité, du détachement de la couche thermique, et de la fréquence d’oscillation par rapport à la fréquence naturelle d’oscillation dans la stratification de l’intérieur, ce qui détermine la présence d’ondes internes.Six régimes d’écoulement sont trouvés, illustrés dans le plan de phase des oscillations (figure 2 : I. Pr=0.1 II. Pr=0,35 III. Pr=0.53 IV. Pr=0.71 V. Pr=2,80 VI. Pr=4,0), donnant à la fois une représentation complète des ondes dans l’intérieur stratifié et des panaches oscillants dans les coins. Une transition entre les régimes est marquée par un changement spectaculaire de la fréquence d’oscillation à Pr = 0,55 ± 0,15 et A < 2. (Khoubani et al, 2024). Aucune étude avait montré la variété de régimes avant, et au présent leur présence dans des écoulements tridimensionnels et turbulents est vérifiée expérimentalement et numériquement.
Figure 1 : Sketch des effets de stratification en température et turbulence dans la présence des panaches par chauffage près de la paroi, et refroidissement par les murs pour différentes hauteur de pièces.
Figure 2 : Plans de phase de l’écoulement pour A = 1,0 (adapté de Khoubani 2024) et différentes valeurs du nombre de Prandtl, avec régime I : cellules à circulation rapide, II : cellules à circulation lente, III : coin rapide et pas d’ondes, IV : coin lent et ondes internes, V : coin rapide avec ondes évanescentes et VI : instabilités rapides à la paroi.
Références
Eames, I. & Flór, J.-B. Spread of infectious agents through the air in complex spaces. Interface Focus 12, 20210080 (2022).
Khoubani, A., Mohanan, A. V., Augier, P. & Flór, J.-B. Vertical convection regimes in a two-dimensional rectangular cavity : Prandtl and aspect ratio dependence. J. Fluid Mech. 981 (2024)
