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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.

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.