Les écoulements de convection naturelle sont présents aussi bien en géophysique (océan, atmosphère), que dans des applications industrielles (par ex. refroidissement passif nucléaire, ventilation). La convection turbulente de Rayleigh-Bénard est un écoulement canonique pour étudier ce phénomène multi-échelles multi-structures associant petites échelles de la turbulence, panaches ther- miques et circulation à grande échelle. Or il a été démontré théoriquement qu’un régime de transfert de chaleur optimal existe (appelé régime inertiel), mais seules des indications expérimentales de ce régime ont été observées pour l’instant. Cependant, il apparaît une grande dispersion des comportements après la crise inertielle. Suivant les cas, les transferts thermiques peuvent varier d’un facteur deux, mettant en question des aspects de sûreté des installations industrielles, une mauvaise estimation de la capacité à transférer de la chaleur pouvant se révéler destructeur.
VERS UNE MODÉLISATION NUMÉRIQUE DU RÉGIME INERTIEL
Nous avons réalisé des simulations numériques directes de convection thermique à très haut régime en cherchant à décrire toutes les échelles de l’écoulement pour identifier la crise inertielle. La figure 1 présente les premiers résultats obtenus sur un maillage de plus de 17 milliards de points. Ces résultats 3D constitueront une référence pour l’analyse des mécanismes thermiques et cinétiques sur la route vers le régime inertiel.
Ces travaux numériques ont été réalisés avec le code de calcul SUNFLUIDH, développé au LISN et en constante évolution pour s’adapter aux besoins et aux calculateurs. Ainsi, la modélisation numérique du régime inertiel étant extrêmement coûteuse, l’accélération des calculs (GPU) est envisagée pour plus de sobriété ou encore le recours à l’apprentissage automatique à différentes phases du calcul.
Convection de Rayleigh-Bénard à très haut régime de turbulence. Coupe 2D à mi-profondeur du champ de température (gauche, le fluide chaud en rouge monte, le fluide froid en bleu descend) et de dissipation visqueuse (droite). La figure illustre la structuration multi-échelle de l’écoulement.