Numerical modeling of turbulent convection in rough Rayleigh-Bénard cell

Turbulent convective flows over rough boundaries are ubiquitous in geophysical and engineering applications. Understanding the mechanisms of these interactions is substantial for improving the heat transfer efficiency. In this work we study the effects of wall roughness on the Rayleigh Bénard turbulence. Three dimensional direct numerical simulations (DNS) are performed using a parallel CFD code under the support of national high performance computers. The roughness elements are embedded over hotted surface using an immersed boundary method. The numerical configuration allow the identification of three successive regimes from a thermally resistant to highly enhanced heat transfer. Through a geometrical decomposition of the rough plate into plot and surrounding fluid, we examine their different behaviors, mainly the contribution to the heat transfer. We analyze the effects of roughness on thermal and viscous boundary layers structures and on the flow physics near the wall. Besides that, the comparison with experimental data at the roughness scale highlight the non homogeneity of thermal fluctuations around the obstacles. We also focused on the effects of roughness on the flow dynamics and on the properties of thermal plumes.
Les flux convectifs turbulents sur les surfaces rugueuses sont omniprésents dans les applications géophysiques mais aussi en ingénierie. Comprendre les mécanismes de ces interactions est crucial pour améliorer l'efficacité du transfert de chaleur. Dans ce travail, nous étudions les effets des rugosités sur la turbulence dans la cavité de Rayleigh Bénard. Des simulations numériques directes (DNS) tridimensionnelles sont effectuées en utilisant un code CFD parallèle employant das ressources informatiques intensives des supercalculateurs nationaux de haute performance. Les rugosités sont introduites sur une surface chaude en utilisant une méthode de frontières immergées. La configuration numérique permet l'identification de trois régimes successifs allant du thermiquement résistant jusqu'au régime du transfert de chaleur fortement intensifié. À travers une décomposition géométrique de la plaque rugueuse en partie solide et d'autre fluide, nous examinons leurs différents comportements, principalement leur contribution au transfert de chaleur. Nous analysons les effets de la rugosité sur les structures des couches limites thermiques et visqueuses et sur la physique de l'écoulement en proche parois. De plus, la comparaison avec les données expérimentales à l'échelle de rugosité met en évidence la non-homogénéité des fluctuations thermiques autour des obstacles. Nous nous sommes également intéressés aux effets des rugosités sur la dynamique de l'écoulement et les propriétés des panaches thermiques.