Fluctuations of the heat-flux in turbulent convection

Laboratoire de Physique Statistique, École Normale Supérieure, 24 rue Lhomond, 75231 Paris cedex 05, France

Abstract

We report measurements of the temporal fluctuations of the heat-flux in Rayleigh-Bénard turbulent convection. Although being a global quantity, i.e. spatially averaged on the flow field, we show that its probability density function (PDF) is non-gaussian and asymmetric. The ratio of the rms fluctuations of the heat flux to their mean display a power lax, Ra^-γ with γ≈0.25, on more than two decades in Rayleigh number (2107< Ra A 10⁹). Thus, the fluctuations are roughly proportional to the temperature difference. We discuss this law and we propose a simple mechanism to explain the non-gaussian character of the PDF.

Résumé

Nous présentons une étude expérimentale des fluctuations temporelles du flux de chaleur en convection turbulente de Rayleigh-Bénard. Bien que cette quantité soit globale, c'est-à-dire s'exprime comme une moyenne spatiale sur l'écoulement, nous montrons que ces fluctuations temporelles possèdent une loi de densité de probabilité non-gaussienne et asymétrique. Sur la gamme de nombres de Rayleigh explorée (2107< Ra A 10⁹), les fluctuations relatives du flux de chaleur décroissent suivant une loi de puissance en Ra^-γ avec γ≈0.25, ce qui signifie aussi que l'écart type des fluctuations du flux de chaleur est approximativement proportionnel à l'écart de température imposé. Nous discutons cette loi et présentons un mécanisme simple permettant d'expliquer le caractère non-gaussien des fluctuations.