• Langue : Anglais
• Discipline : Mécanique des milieux fluides
• Identifiant : 2025ULILN042
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 15/12/2025

Résumé en langue originale

L'interaction entre convection thermique et particules en suspension est au cœur de nombreux processus géophysiques et industriels, allant des écoulements magmatiques et des courants sédimentaires aux réacteurs chimiques à bulles. Même à des concentrations diluées, les particules peuvent altérer profondément la stabilité convective par leur quantité de mouvement et leurs échanges thermiques avec le fluide environnant. Malgré son importance, un cadre général permettant de distinguer les rétroactions mécaniques et thermiques reste limité. Cette thèse aborde ce défi en étudiant la stabilité linéaire du système Rayleigh-Bénard (RB) dans des couches fluides contenant une phase dispersée de particules thermiques non browniennes, en utilisant une approche eulérienne à deux fluides. Une attention particulière est portée à la manière dont les propriétés des particules (densité, capacité thermique) et leurs caractéristiques géométriques (taille) se combinent avec les conditions d'injection aux limites pour influencer le déclenchement de la convection. Dans la première partie de ce travail, les particules sont introduites dans le système à leur vitesse terminale et à une température prescrite. Les résultats montrent que les particules, lourdes comme légères, stabilisent invariablement le système, augmentant considérablement le nombre de Rayleigh critique : jusqu'à 30 pour les bulles et 60 pour les particules plus lourdes que le fluide à des fractions volumiques de 0,1 %. Lorsque les particules sont injectées à leur vitesse terminale, la divergence du champ de vitesse des particules disparaît partout dans le système, assurant une concentration uniforme et empêchant l'accumulation. La stabilisation résulte du couplage mécanique, qui amortit le mouvement du fluide, et de l'inertie thermique, qui modifie l'échange thermique interphasique. Une deuxième configuration examine le système de RB particulaire (RBp), où les particules sont injectées à différentes vitesses d'entrée et à flux volumétrique constant. Les résultats montrent que la modification de la vitesse d'injection permet l'accumulation des particules et produit une asymétrie : l'augmentation de la vitesse d'entrée déstabilise le système pour les particules lourdes, mais le stabilise progressivement pour les particules légères. L'accumulation dépend également du régime d'injection, apparaissant dans les régions descendantes pour l'injection subterminale et dans les régions ascendantes pour l'injection superterminale. Lorsque la vitesse d'injection correspond à la vitesse terminale, aucune accumulation ne se produit car la concentration en particules reste constante. Enfin, le rôle du couplage thermique est étudié en faisant varier le rapport de capacité thermique massique particules/fluide. Les résultats montrent que pour les particules lourdes, un couplage plus fort améliore systématiquement la stabilité, tandis que pour les particules légères, il peut se stabiliser ou se déstabiliser selon les conditions d'injection et le flux. Dans tous les cas, le début de la convection reste stationnaire, se produisant par une bifurcation en fourche comme dans le problème RB classique, mais avec des seuils significativement décalés et des structures spatiales modifiées. L'ensemble de ces résultats démontre que même des suspensions diluées peuvent décaler les seuils de convection de plus d'un ordre de grandeur et, dans certains cas, permettre la convection sous chauffage par le haut. Les résultats établissent une base théorique pour la convection particulaire RB et fournissent un cadre pour de futures études expérimentales et numériques pertinentes pour les flux géophysiques, environnementaux et industriels.

Résumé traduit

The interaction between thermal convection and suspended particles is central to manygeophysical and industrial processes, ranging from magmatic flows and sediment-ladencurrents to bubble-driven chemical reactors. Even in dilute concentrations, particlescan profoundly alter convective stability through momentum and heat exchange withthe surrounding fluid. Despite its importance, a general framework that disentanglesmechanical and thermal feedbacks remains limited. This thesis addresses this challengeby investigating the linear stability of Rayleigh-Bénard (RB) system in fluid layerscontaining a dispersed phase of non-Brownian thermal particles, using a two-fluidEulerian approach. Particular focus is placed on how particle material properties(density, heat capacity) and geometric features (size) combine with boundary injectionconditions to influence the onset of convection. In the first part of this work, particlesare introduced in the system at their terminal velocity with a prescribed temperature.The results show that both heavy and light particles invariably stabilize the system,raising the critical Rayleigh number by large factors—up to 30 for bubbles and 60for particles heavier than the fluid at volume fractions of 0.1%. When particles areinjected at their terminal velocity, the divergence of the particle velocity field vanisheseverywhere in the system, ensuring uniform concentration and preventing accumulation.Stabilization results from mechanical coupling, which damps fluid motion, and thermalinertia, which modifies interphase heat exchange. A second configuration examines theparticulate RB (pRB) system, where particles are injected at different inlet velocitiesand constant volumetric flux. The results show that altering the injection velocitypermits particle accumulation and produces an asymmetry: increasing inlet velocitydestabilizes the system for heavy particles but progressively stabilizes it for light ones.Accumulation also depends on injection regime, appearing in downwelling regions forsub-terminal injection and in upwelling regions for super-terminal injection. Whenthe injection velocity matches the terminal velocity, no accumulation occurs as particleconcentration remains constant. Finally, the role of thermal coupling is investigated byvarying the particle-to-fluid specific heat capacity ratio. The results show that for heavyparticles, stronger coupling consistently enhances stability, while for light particles, itcan either stabilize or destabilize depending on injection conditions and flux. In allcases, convection onset remains stationary, occurring through a pitchfork bifurcation asin the classical RB problem, but with significantly shifted thresholds and altered spatialstructures. Together, these findings demonstrate that even dilute suspensions can shiftconvective thresholds by more than an order of magnitude and, in some cases, permitconvection under heating from above. The results establish a theoretical foundationfor particulate RB convection and provide a framework for future experimental andnumerical studies relevant to geophysical, environmental, and industrial flows.