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Thermodynamique avancée Cours 9

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1 Thermodynamique avancée Cours 9
Mélange de masses d’air Isenthalpique Adiabatique

2 Table de matières Mélange de masses d’air Horizontal – isenthalpique
Traînées d’avion Brouillard d’«haleine» Vertical – adiabatique Stratus de couche limite : le niveau de condensation par mélange adiabatique (turbulence d’origine mécanique)-NCM Fumée de mer EM

3 Mélange isobarique et adiabatique : dH = 0
m1, T1, p, q1,cp1 m2, T2, p, q2, cp2 m, T, p, q EM

4 Mélange isenthalpique sans saturation
m, T, p, q EM

5 Mélange isenthalpique sans saturation
P1 (e1,T1,p) P2 (e2,T2,p) Le point image P(e,T,p) du mélange isenthalpique des deux masses d’air considérées se situe sur la droite qui relie les deux pois images P1 et P2. EM

6 Mélange isenthalpique avec saturation
Première étape: mélange isenthalpique sans saturation P2 (e2,T2,p) P(e,T,p) e > es(T) P1 (e1,T1,p) Le mélange est sursaturé! EM

7 Mélange isenthalpique avec saturation
Deuxième étape : La masse est sursaturée et atteint la saturation (en condensant l’excès de vapeur d’eau) selon un procédé isenthalpique: dh = 0 T’ =T’w EM

8 Mélange isenthalpique avec saturation
La quantité d’eau condensée par unité de masse est et la concentration d’eau liquide par unité de volume est: avec EM

9 L’équation différentielle du processus isenthalpique nous donne dT en fonction de de
~ 1 EM

10 Mélange isenthalpique
EM

11 EM

12 Mélange isobarique et adiabatique
A: TA = -10 °C rA = 1,6 g/kg B: TB = 10 °C rB = 7,6 g/kg D: TD = 0 °C rD = 4,6 g/kg mA = mB C : TC = 0 °C rCw = 3,8 g/kg F : Tw = 1 °C rw = 4 g/kg Tw EM Te

13 Mélange turbulent EM

14 EM

15 Mélange vertical turbulent sans condensation: procédé adiabatique
1) chaque particule en mouvement vertical subit un procédé de changement de pression adiabatique. Le rapport de mélange et la température potentielle de chaque particule est constante. 2) la turbulence de petite échelle provoque le mélange isobarique des particules. Les propriétés du mélange deviennent uniformes. 3) les particules mélangées se déplacent adiabatiquement à cause de la turbulence.Toute la couche devient bien mélangée. EM

16 Mélange turbulent vertical sans condensation: procédé adiabatique
1) chaque particule en mouvement vertical subit un procédé de changement de pression adiabatique: le rapport de mélange r et la température potentielle  de chaque particule est constante. m2, r2, 2, p2 m1, r1, 1, p m2, r2, 2, p m1, r1, 1, p1 EM

17 Mélange vertical turbulent sans condensation: procédé adiabatique
2) la turbulence de petite échelle provoque le mélange isobarique des particules. Les propriétés du mélange deviennent uniformes m1, r1, 1, p = m12, r12, 12, p m2, r2, 2, p EM

18 Mélange vertical turbulent sans condensation: procédé adiabatique
3) les particules mélangées se déplacent verticalement et horizontalement de façon adiabatique, sans condensation, à cause de la turbulence. Toute la couche devient bien mélangée, m = 12, rm = r12 sont uniformes. m2, r12, 12, p2 m1, r12, 12, p m2, r12, 12, p m1, r12, 12, p1 EM

19 Mélange vertical turbulent sans condensation: généralisation
Soit la couche d’épaisseur En supposant l’équilibre hydrostatique la masse dM d’une couche infinitésimale dp est: La masse par unité de surface sera EM

20 Mélange vertical turbulent sans condensation: généralisation
On peut alors imaginer un procédé qui amène la couche entière au même niveau de pression, où elle se mélange isenthalpiquement, avec les conditions initiales : EM

21 Mélange vertical turbulent sans condensation: généralisation
EM

22 Mélange vertical turbulent sans condensation: généralisation
État initial EM

23 Mélange turbulent mécanique
Avant mélange Après mélange z z ri i rm r m EM

24 Mélange turbulent mécanique sans condensation.
Les invariantes du processus dans la couche sans condensation : r, , w, e Avant mélange Après mélange Tf f=cst TDf rf=cst TDf(p) Tf(p) p TD(p) T(p) T EM

25 Mélange turbulent mécanique
Avant mélange (NCM) Après mélange (NCM) Niveau de condensation par mélange p TD(p) T(p) T Les invariantes du processus dans la couche sans condensation : r, , w, e Les invariantes du processus dans la couche nuageuse : U = 100%, w, e EM

26 Formation d’un stratus par mélange vertical
EM

27 Résumé Le mélange isobarique et adiabatique de deux masses d’air de température très différentes peux être à l’origine de la formation de brouillard de mélange : Les traînées d’avion Les brouillard d’«haleine» La turbulence mécanique provoque le mélange des couches atmosphériques proches de la surface. Le résultat est la formation de couches dites «bien mélangées» ou couches de mélange de la couche limite planétaire. S’il n’y a pas de condensation, ces couches sont caractérisées par des profils verticaux de rapport de mélange constant et de température potentielle constante. En certaines conditions, quand l’humidité proche de la surface est élevée, le mélange vertical adiabatique peut amener à la formation de nuages de type stratus. EM

28 Refroidissement isobarique suivi de mélange

29 Brouillard d’évaporation + mélange
EM

30 Brouillard d’évaporation + mélange
La fumée de mer se forme quand l’air très froid est advecté rapidement au dessus d’une surface d’eau plus chaude. L’air reçoit de la chaleur de l’humidité par conduction et transfert turbulent. L’air devient instable est on assiste à un mélange efficace de l’air plus chaud et humide avec l’air très froid des couches supérieures. EM

31 Brouillard d’évaporation + mélange
1 2 3 4 EM

32 Fumée de mer. Halifax, 16 janvier 2004

33 Fumée de mer. Halifax, 16 janvier 2004

34 À venir … La stabilité atmosphérique EM

35 Exemples de couche bien mélangée (ou ce qui reste…

36 Mélange isobarique Volcan EM Hawaii: Kilauea

37 Mélange turbulent Quelle était le profil de température de la couche de 1 à 1 km, avant et après le mélange ? Réponse EM

38 Mélange turbulent ? EM


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