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Numerical simulation is used in order to analyse the influence of the thermosolutal convection on the chemical segregation during the Bridgman solidification of GaInSb concentrated semiconductor alloys under external fields. The results, in agreement with the experimental data, show a strong solutal damping effect on the thermally driven convection when the solidification of the alloys occurs at fast pulling rates of the crucible. Consequently, the chemical segregation increases and the solid-liquid interface becomes morphologically unstable. The analytical calculations which describe the solutal effect on the melt convection and the interface curvature show that the damping solutal effect can be avoided and the quality of crystals improved in two cases : a) when the growth occurs at low and variable pulling rates ; b) when the solidification occurs under alternating magnetic fields. The numerical simulation and the experimental results show that the crystals obtained at low pulling rates are more homogeneous than the alloys solidified at fast pulling rates. The modelling of the solidication under alternating magnetic fields show that the chemical segregations and the interface curvatures are maintained at lower values, but it is difficult to achieve the experimental conditions required by the simulation., La simulation numérique a été utilisée pour étudier l'influence de la convection thermo-solutale sur les ségrégations chimiques lors de la solidification Bridgman d'alliages GaInSb concentrés. Les résultats, en accord avec les résultats expérimentaux, montrent un fort amortissement solutal de la convection thermique pendant la solidification des alliages solidifiés rapidement. A la suite de cet amortissement solutal, les ségrégations chimiques augmentent et l'interface devient morphologiquement instale. A partir d'un calcul analytique qui prend en compte l'effet solutal sur la convection et la courbure de l'interface, deux méthodes ont été proposées pour éviter l'amortissement de l'écoulement et pour améliorer la qualité des cristaux : a) la croissance à vitesses faibles et variables ; b) la croissance sous champ magnétique alternatif. La simulation numérique et les expériences montrent que les cristaux obtenus en utilisant des vitesses de croissance faibles sont plus homogènes et leur qualité structurale est améliorée par rapport aux cristaux obtenus à grandes vitesses. La modélisation de la solidification d'alliages concentrés sous champ magnétique alternatif montre des ségrégations chimiques et courbures de l'interfaces faibles. Cependant, il est difficile d'obtenir expérimentalement les conditions optimales prédites.

The work presented in this thesis is a contribution to the study of natural thermosolutal convection in rectangular configurations confining binary mixtures. Couplings of second order (Soret effect or thermo-diffusion and Dufour effect or diffusion-thermo), often neglected in the literature, were considered in addition to an internal volumetric heat generation. The use of numerical simulation methods different from conventional methods was among the objectives of this study. Thus, we have adopted the lattice Boltzmann method which is a mesoscopic approach with a simple (SRT) and multiple (MRT) relaxation time approximations. The study was focused on the effect of the least studied parameters in the literature (intensity of internal heat generation, Soret effect and Dufour effect) in the case of thermal and solutal buoyancy forces with the same intensity and opposite or cooperating effects. The results obtained are characterized by a wealth of phenomena generated by the combined effects of the control parameters and not reported in the literature. For example, the possibility of purification/loading of the medium from/with species by Soret effect was observed depending on the other control parameters. The study has also allowed to identify the stabilizing and destabilizing effects of the Soret and Dufour parameters on the intensities ranges of the internal heat generation that lead to steady and unsteady flows in the absence of the effects of the thermo-diffusion and diffusion-thermo, Le travail présenté dans cette thèse est une contribution à l'étude de la convection naturelle thermosolutale dans des configurations rectangulaires confinant des mélanges binaires. Des couplages de second ordre (effet Soret ou thermo-diffusion et effet Dufour ou diffusion-thermo), souvent négligés dans la littérature, ont été considérés en plus d'une génération volumique interne de la chaleur. Le recours à des méthodes numériques de simulation différentes des méthodes classiques faisait partie des objectifs de cette étude. Ainsi, on a adopté la méthode de lattice Boltzmann sur réseau qui est une approche mésoscopique avec une approximation à temps de relaxation simple (SRT) et multiple (MRT). L'étude a été focalisée sur l'effet des paramètres les moins étudiés dans la littérature (intensité de la génération interne de la chaleur, effet Soret et effet Dufour) pour des forces de volumes thermique et solutale de même intensité avec des effets opposés ou coopérants. Les résultats obtenus sont caractérisés par une richesse de phénomènes engendrés par les effets combinés des paramètres de contrôle et non reportées dans la littérature. Par exemple, la possibilité de purification/charge du milieu des/en espèces par effet Soret a été observée dépendamment des autres paramètres de contrôle. L'étude a permis également d'identifier des effets stabilisants et déstabilisants des paramètres de Soret et Dufour sur les gammes des intensités de la génération interne de la chaleur qui conduisent à des écoulements stationnaires et instationnaires en l'absence des effets de la thermo-diffusion et de la diffusion-thermo

The aim of this dissertation is at modeling and numerically simulating thermosolutal convection within cavities filled by binary gas mixtures of ideal gases. A new problem formulation, based on the weakly compressible approximation, has been derived in order to account for the changes in density as well as thermodynamic pressure. The ideal gas law and global conservation of mass are invoked for the predictions of density field and thermodynamic pressure. The first part of the manuscript is devoted to the mathematical derivation of the governing equations and boundary conditions, numerical procedure implemented and, checks of the accuracy of the results through deeply comparisons with updated benchmark solutions. The emphasis is put on the efficiency of algorithm used for solving the pressure-velocity coupling for unsteady, transitional flow regimes. Thermosolutal convection without phase changes at the cavity surfaces is first considered in the second part of the manuscript. We investigated the case of vertical cavities with horizontal gradients of concentration and temperature. The results clearly show that the dilute approximation fails to be valid as soon as the maximum concentration difference exceeds a critical value function of the flow parameters. Surface condensation of water vapor or evaporation of liquid water film in vertical cavities is then considered. The specific thermal boundary conditions of uniform but time-varying temperatures of the four walls are considered. Periodic variations of the flow, temperature and relative humidity fields are discussed in detail. The evolutions of thicknesses of the water film over the four walls are also predicted, L'objectif de c e mémoire est d'apporter une contribution à la modélisation et la simulation numérique de la convection thermosolutale de mélanges binaires de gaz parfaits contenus dans des cavités. Un modèle a été élaboré en se basant sur l'approximation de faible compressibilité. Le premier chapitre précise la démarche suivie dans la modélisation et une formulation originale en est déduite afin de traiter les différents types de conditions aux limites et de conditions de références hydrostatiques analysés dans le mémoire. Les variations de masse volumique sont déduites de la loi des gaz parfaits et la pression thermodynamique est calculée à partir de la conservation de la masse totale. La méthode numérique repose sur la méthode des volumes finis mise en uvre sur des maillages décalés. Le couplage vitesse-pression est traité par un nouvel algorithme dont l'efficacité est discutée en détail. La démarche numérique est validée via des comparaisons avec des solutions de références, en régime stationnaire comme en régime transitoire pour des écoulements transitionnels. Dans la seconde partie du mémoire, on considère d'abord la convection thermosolutale dans une cavité rectangulaire verticale dans le cas où les écoulements sont induits par des gradients horizontaux de température et de concentration. On discute en particulier les limites de l'approximation d'extrême dilution. La condensation de vapeur d'eau et l'évaporation d'un film d'eau liquide sur les parois d'une cavité sont ensuite étudiées en régime transitoire. Ces changements de phase surfaciques sont associés à la convection naturelle dans une cavité dont les températures des quatre parois varient au cours du temps

Numerical simulation is used in order to analyse the influence of the thermosolutal convection on the chemical segregation during the Bridgman solidification of GaInSb concentrated semiconductor alloys under external fields. The results, in agreement with the experimental data, show a strong solutal damping effect on the thermally driven convection when the solidification of the alloys occurs at fast pulling rates of the crucible. Consequently, the chemical segregation increases and the solid-liquid interface becomes morphologically unstable. The analytical calculations which describe the solutal effect on the melt convection and the interface curvature show that the damping solutal effect can be avoided and the quality of crystals improved in two cases : a) when the growth occurs at low and variable pulling rates ; b) when the solidification occurs under alternating magnetic fields. The numerical simulation and the experimental results show that the crystals obtained at low pulling rates are more homogeneous than the alloys solidified at fast pulling rates. The modelling of the solidication under alternating magnetic fields show that the chemical segregations and the interface curvatures are maintained at lower values, but it is difficult to achieve the experimental conditions required by the simulation.; La simulation numérique a été utilisée pour étudier l'influence de la convection thermo-solutale sur les ségrégations chimiques lors de la solidification Bridgman d'alliages GaInSb concentrés. Les résultats, en accord avec les résultats expérimentaux, montrent un fort amortissement solutal de la convection thermique pendant la solidification des alliages solidifiés rapidement. A la suite de cet amortissement solutal, les ségrégations chimiques augmentent et l'interface devient morphologiquement instale. A partir d'un calcul analytique qui prend en compte l'effet solutal sur la convection et la courbure de l'interface, deux méthodes ont été proposées pour éviter l'amortissement de l'écoulement et pour améliorer la qualité des cristaux : a) la croissance à vitesses faibles et variables ; b) la croissance sous champ magnétique alternatif. La simulation numérique et les expériences montrent que les cristaux obtenus en utilisant des vitesses de croissance faibles sont plus homogènes et leur qualité structurale est améliorée par rapport aux cristaux obtenus à grandes vitesses. La modélisation de la solidification d'alliages concentrés sous champ magnétique alternatif montre des ségrégations chimiques et courbures de l'interfaces faibles. Cependant, il est difficile d'obtenir expérimentalement les conditions optimales prédites.

This work is situated in the context of control of the solidification of metallic alloys structure under the effect of natural and forced convection to enhance control of solidification microstructures term through effective electromagnetic stirring to have a homogenizing the liquid which may subsequently improve the final microstructure of the alloy. The possibility considered in this work is to achieve this stirring without contacting the liquid solution (alloy in fusion) and pollution by other elements using a patch by the Lorentz force. The purpose of the thesis consists both a theoretical and experimental study based on an experimental setup particularly documented and instrumented developed / EPM SIMAP laboratory in Grenoble, named AFRODITE. The experimental device used to provide quantitative and qualitative data on the process of solidification of metallic alloys. These data are necessary for the contribution to studies on the solidification of metallic alloys and enrich the data base developed numerical models to predict defects related to solidification. The alloy selected from our work is tin-lead, for its low melting temperature. The proposed experiments are designed to study the effect of two types of dynamic configuration on the solidification of Sn-Pb alloy: the thermosolutal convection with the variation of two essential parameters (cooling rate and the difference in experimental temperature) and forced convection by the use of several modes of electromagnetic stirring. This study is particularly interested in the characterization of macrostructures and defects related to macrosegregation. The originality of this study is to measure in situ instantaneous temperatures. This allowed us to assess the evolution of the heat transfer due to natural / forced convection and their influence on the process of solidification in different aspects. The post-mortem analysis of the metal alloy provides the solidification structure and distribution of segregation at different scales (mesoscopic and macroscopic)., Ce travail se situé dans la perspective d'un contrôle de la structure de solidification des alliages métalliques sous l'effet de la convection naturelle et forcée afin d'améliorer à terme la maîtrise des microstructures de solidification grâce à un brassage électromagnétique efficace permettant d'avoir une homogénéisation du bain liquide qui par la suite peut améliorer la microstructure finale de l'alliage. La possibilité retenue dans ce travail est de réaliser ce brassage sans contact avec la solution liquide (alliage sous fusion) et sans pollution par d'autres éléments en utilisant un brassage par la force de Lorentz. L'objet de la thèse comporte une étude théorique à la fois expérimentale basée sur une installation expérimentale particulièrement documentée et instrumentée, développée au laboratoire SIMAP/EPM à Grenoble, nommée AFRODITE. Ce dispositif expérimental permet de fournir des données de quantitatives et qualitatives sur le processus de solidification des alliages métalliques. Ces données sont nécessaires à la contribution aux études menées sur la solidification des alliages métallique et enrichir la base des donnée des modèles numériques développés pour prédire les défauts liés à la solidification. L'alliage choisi dans notre travail est l'étain-plomb, vue sa basse température de fusion. Les expériences envisagées visent à étudier l'effet de deux modes de configuration dynamique sur la solidification de l'alliage Sn-Pb: la convection thermosolutale avec la variation de deux paramètres essentiels (la vitesse de refroidissement et la différence de température expérimentale) et la convection forcée par l'utilisation de plusieurs modes de brassage électromagnétique. Cette étude s'intéresse en particulier à la caractérisation des macrostructures et les défauts liés à la macroségrégation. L'originalité de l'étude vise à mesurer in situ les températures instantanées. Ceci nous a permis d'évaluer l'évolution du transfert thermique due à la convection naturelle/forcée, ainsi que leurs influence sur le processus de la solidification sous différents aspects. L'analyse post-mortem de l'alliage métallique, fournit la structure de solidification et la distribution des ségrégations à différentes échelles (mésoscopique et macroscopique).

Seismic observations of the Earth's inner core reveal unexpected structural complexity, its most striking property being its elastic anisotropy. The inner core has been slowly crystallizing from the liquid outer core, and its structure and dynamic may be in part related to the process of solidification. A stability analysis of the solidification front suggests that the inner core boundary is morphologicaly unstable, and that a dendritic layer should have developped. This dendritic layer may extend deep in depth, but thermosolutal convection associated with the solidification and compaction of the solid matrix are expected to efficiently expell the residual liquid. We present an experiment of solidification under a large gravity, which allows to increase the strength of the convective phenomenon associated with solidification. It is shown that the enhancement of solutal and thermal transport have important consequences on the structure of the dendritic layer, and increases significantly its solid fraction. A last part is devoted to the mechanisms from which the seismis anisotropy may originates. It is shown that the internal dynamic of the inner core depends critically on the thermal and solutal evolution of the outer core. If the inner core is relatively old, its is likely to be stably stratified, and vertical motions are inhibited. Heterogeneous growth of the inner core results in an shallow shear layer. If the inner core has grown rapidly, a thermaly driven convective episode may have occured in its early history., La graine terrestre telle que vue par la sismologie présente une anisotropie de ces propriétés élastiques et une structure étonnament complexe. La graine cristallise lentement à partir du noyau liquide, et il est possible que sa structure et sa dynamique soit liée à sa cristallisation. Une analyse de stabilité du front de solidification suggère que celui-ci est instable vis-à-vis d'une instabilité morphologique qui se manifeste par la formation d'une zone biphasique où des dendrites solides coexistent avec un liquide enrichi en soluté. Du point de vue thermodynamique, cette couche biphasique pourrait s'étendre jusqu'au centre de la graine, mais il est probable que la convection thermo-solutale associée et la compaction de la matrice solide y réduisent rapidement la fraction liquide. Une seconde partie présente un dispositif expérimental de cristallisation sous forte gravité, permettant d'intensifier les phénomènes de convection liés à la cristallisation. Il y est montré que la convection thermo-solutale rétroagit fortement sur la structure de la zone dendritique, et y augmente significativement la fraction solide. Une dernière partie porte sur les mécanismes susceptibles d'être à l'origine de l'anisotropie. L'importance de l'évolution thermochimique du noyau est mis en avant. Si la graine est relativement âgée, celle-ci est stratifiée de manière stable et les mouvement verticaux y sont interdits. La déformation induite par une croissance hétérogène est focalisée dans une couche cisaillante à la surface de la graine. Si la croissance de la graine est rapide, elle a pu convecter au début de son histoire et être progressivement stabilisée par la stratification chimique.

The purpose of this thesis is the contribution to the numerical simulation of heat transfer by conduction, radiation and thermosolutal convection in a closed cavity or in a vertical channel. In most practical cases, the three modes of heat transfer are strongly coupled when the fluid in motion is a mixture of gases. Heat transfer by natural convection and surface condensation in two-dimensional enclosures in contact with a cold external ambient through a wall of finite thickness was studied numerically. Special attention was given on the modeling of the flow of a binary mixture consisting of humid air. Low-Mach number assumption was introduced in order to account for decreases in mixture mass and average pressure within the enclosure between the initial and steady states. Also, a numerical investigation was conducted to study mixed convection in a vertical channel with evaporation of thin liquid films on wetted walls. The effects of the thermal and solutal buoyancy forces on the flow field, heat and mass transfer are illustrated. Results were obtained both for variable and for constant properties using the one-third rule. Air-water vapor and air-hexane vapor mixtures, assumed as ideal gases, are considered under various boundary conditions, L'objectif de cette thèse est de contribuer à la simulation numérique des transferts de chaleur par conduction dans les parois, par rayonnement et par convection thermosolutale dans des cavités fermées ou dans des conduites. Dans la plupart des cas pratiques, les trois modes de transfert de chaleur sont fortement couplés lorsque le fluide en mouvement est un mélange de gaz. Le transfert de chaleur par convection naturelle associé à la condensation surfacique dans une cavité à deux dimensions, remplie d'air humide a été étudié numériquement. Les parois verticales, d'épaisseur finie, sont en contact avec une ambiance extérieure froide. La modélisation faiblement compressible permet à la fois de tenir compte de la diminution de la masse du mélange et de la pression thermodynamique. Egalement, une étude de la convection mixte associée à l'évaporation d'un film liquide ruisselant sur les deux parois d'un canal vertical a été menée. Les effets des forces d'Archimède thermique et solutale sur le développement de l'écoulement ont été montrés. Les résultats ont été obtenus en considérant que les propriétés du mélange sont constantes ou basées sur la règle d'un tiers. Deux mélanges binaires de gaz parfaits air-vapeur et air-hexane ont été considérés en vertu de diverses conditions aux limites

This work deals with the onset of natural convection in a horizontal fluid-porous system. A linear stability analysis is carried out using the one and two domain approaches, both including the viscous diffusion contribution in the porous layer. Our results are compared with those obtained with the Darcy formulation of the two-domain approach. Agreement is found between the two domain formulations, indicating that the inclusion of the Brinkman term plays a secondary role on the stability results. However, the one domain stability curves present rather different behavior when the transition between the fluid and the porous regions is described by discontinuous variations of the physical properties. It is shown that one and two domain approaches predictthe same stability thresholds only if differentiation is executed in the sense of distributions. The influence of the different control parameters on the stability of the thermal and thermosolutal convection cases is analyzed.; Ce travail concerne la convection naturelle au sein d'un système fluide-poreux en couche horizontale. On présente l'analyse de stabilité linéaire des modèles à un et deux domaines, avec diffusion visqueuse dans le milieu poreux. Nos résultats sont comparés avec ceux du modèle à deux domaines utilisant la formulation de Darcy. Un bon accord est observé entre les résultats des modèles à deux domaines, ce qui indique que le terme de Brinkman joue un rôle secondaire dans la stabilité. On montre que le modèle à un domaine peut conduire à des résultats sensiblement différents lorsque la transition entre fluide et le milieu poreux est décrite par une discontinuité des propriétés. Il faut alors modifier la formulation en effectuant la différentiation au sens des distributions. Ainsi, le modèle à un domaine conduit aux mêmes seuils de stabilité que les formulations à deux domaines. L'influence des paramètres caractéristiques sur la stabilité des systèmes thermique et thermosolutal est discutée.

We studied in situ and real-time the directional solidification of thin samples of binary alloys and a quasicrystal using both X-ray radiography and topography techniques. On Al-3.5wt%Ni non-refined alloys, we studied the formation of the initial state and the solidification front morphology (cellular then dendritic growth). Mechanical strains were highlighted. The Columnar to Equiaxed Transition was studied on Al-3.5wt%Ni refined alloys. We described the blocking of the columnar front and the following equiaxed growth regime. The refining particles efficiency reaches a limit. An analysis of the microstructure morphology was performed. The study of the i-AlPdMn quasicrystal shows the growth of faceted dodecahedral grains. Thermosolutal convection effects were highlighted. Strain visualisation shows a strong deformation of grains. The apparition of porosity was observed during fusion of grains.; Nous avons étudié in situ et en temps réel la solidification dirigée d'échantillons minces d'alliages binaires et d'un quasicristal en combinant radiographie et topographie X. Sur Al-3,5%pdsNi non-affiné, nous avons étudié la formation de l'état initial et la morphologie du front de solidification (croissance cellulaire puis dendritique). Les effets des contraintes mécaniques ont été mis en évidence. La transition colonnaire-équiaxe a été étudiée sur Al-3,5%pdsNi affiné. Nous avons décrit le blocage du front colonnaire et le régime de croissance équiaxe ultérieure. L'efficacité des affinants tend vers une limite. Une analyse de la morphologie des microstructures a été effectuée. L'étude du quasicristal i-AlPdMn montre la croissance de grains dodécaédriques facettés. Nous avons mis en évidence les effets de la convection thermosolutale. La visualisation des contraintes montre une forte déformation des grains. L'apparition de porosités a été observée au cours de la fusion des grains.

International audience; The onset of thermosolutal convection in a rectangular cell filled with a porous medium saturated by a binary fluid is studied. The vertical walls are maintained at different, but uniform, temperatures and concentrations. The horizontal walls are impermeable and adiabatic. When the ratio of resulting solutal and thermal buoyancy forces is equal to −1, we obtain an equilibrium solution corresponding to a purely diffusive regime. We demonstrate that this regime is linearly stable up to a critical thermal Rayleigh number, Rac1, depending on the aspect ratio of the cell and the Lewis number. These analytical results are in good agreement with numerical direct simulations which allow us to describe the double-diffusive convective regimes taking place when the equilibrium regime loses its stability.