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Thermodynamique avancée Cours 9 Mélange de masses dair IsenthalpiqueAdiabatique.

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1 Thermodynamique avancée Cours 9 Mélange de masses dair IsenthalpiqueAdiabatique

2 EMCours Table de matières Mélange de masses dair Mélange de masses dair Horizontal – isenthalpique Horizontal – isenthalpique Traînées davion Traînées davion Brouillard d«haleine» Brouillard d«haleine» Vertical – adiabatique Vertical – adiabatique Stratus de couche limite : le niveau de condensation par mélange adiabatique (turbulence dorigine mécanique)-NCM Stratus de couche limite : le niveau de condensation par mélange adiabatique (turbulence dorigine mécanique)-NCM Fumée de mer Fumée de mer

3 EMCours Mélange isobarique et adiabatique : dH = 0 m 1, T 1, p, q 1,c p1 m 2, T 2, p, q 2, c p2 m, T, p, q

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

5 EMCours Mélange isenthalpique sans saturation Le point image P(e,T,p) du mélange isenthalpique des deux masses dair considérées se situe sur la droite qui relie les deux pois images P 1 et P 2. P 1 (e 1,T 1,p) P 2 (e 2,T 2,p)

6 EMCours Mélange isenthalpique avec saturation P(e,T,p) e > e s (T) P 1 (e 1,T 1,p) P 2 (e 2,T 2,p) Première étape: mélange isenthalpique sans saturation Le mélange est sursaturé!

7 EMCours Mélange isenthalpique avec saturation T =T w Deuxième étape : La masse est sursaturée et atteint la saturation (en condensant lexcès de vapeur deau) selon un procédé isenthalpique: dh = 0

8 EMCours Mélange isenthalpique avec saturation La quantité deau condensée par unité de masse est et la concentration deau liquide par unité de volume est: avec

9 EMCours Léquation différentielle du processus isenthalpique nous donne dT en fonction de de r ~ 1

10 EMCours Mélange isenthalpique

11 EMCours

12 EMCours Mélange isobarique et adiabatique A: T A = -10 °C r A = 1,6 g/kg r A = 1,6 g/kg B: T B = 10 °C r B = 7,6 g/kg r B = 7,6 g/kg D: T D = 0 °C r D = 4,6 g/kg r D = 4,6 g/kg C : T C = 0 °C r Cw = 3,8 g/kg r Cw = 3,8 g/kg m A = m B TwTwTwTw TeTeTeTe F : T w = 1 °C r w = 4 g/kg r w = 4 g/kg

13 EMCours Mélange turbulent

14 EMCours

15 EMCours 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.

16 EMCours Mélange turbulent vertical sans condensation: procédé adiabatique 1) chaque particule en mouvement vertical subit un procédé de vertical subit un procédé de changement de pression adiabatique: changement de pression adiabatique: le rapport de mélange r et la le rapport de mélange r et la température potentielle de température potentielle de chaque particule est constante. chaque particule est constante. m 1, r 1, 1, p 1 m 2, r 2, 2, p 2 m 1, r 1, 1, p m 2, r 2, 2, p

17 EMCours Mélange vertical turbulent sans condensation: procédé adiabatique m 1, r 1, 1, p m 2, r 2, 2, p 2) la turbulence de petite échelle provoque le mélange isobarique des particules. Les propriétés du mélange deviennent uniformes = m 12, r 12, 12, p

18 EMCours 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, r m = r 12 sont uniformes. m 1, r 12, 12, p 1 m 2, r 12, 12, p 2 m 1, r 12, 12, p m 2, r 12, 12, p

19 EMCours Mélange vertical turbulent sans condensation: généralisation Soit la couche dépaisseur En supposant léquilibre hydrostatique la masse dM dune couche infinitésimale dp est: La masse par unité de surface sera

20 EMCours 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 :

21 EMCours Mélange vertical turbulent sans condensation: généralisation

22 EMCours Mélange vertical turbulent sans condensation: généralisation État initial

23 EMCours Mélange turbulent mécanique r zz Avant mélange Après mélange riri rmrm i m

24 EMCours Mélange turbulent mécanique sans condensation. Avant mélange Après mélange p T T D (p)T(p) T Df (p)T f (p) T Df r f =cst TfTf f =cst Les invariantes du processus dans la couche sans condensation : r,, w, e

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

26 EMCours Formation dun stratus par mélange vertical

27 EMCours Résumé Le mélange isobarique et adiabatique de deux masses dair de température très différentes peux être à lorigine de la formation de brouillard de mélange : Le mélange isobarique et adiabatique de deux masses dair de température très différentes peux être à lorigine de la formation de brouillard de mélange : Les traînées davion Les traînées davion Les brouillard d«haleine» 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. Sil ny a pas de condensation, ces couches sont caractérisées par des profils verticaux de rapport de mélange constant et de température potentielle constante. 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. Sil ny 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 lhumidité proche de la surface est élevée, le mélange vertical adiabatique peut amener à la formation de nuages de type stratus. En certaines conditions, quand lhumidité proche de la surface est élevée, le mélange vertical adiabatique peut amener à la formation de nuages de type stratus.

28 EMCours Refroidissement isobarique suivi de mélange

29 EMCours Brouillard dévaporation + mélange

30 EMCours Brouillard dévaporation + mélange La fumée de mer se forme quand lair très froid est advecté rapidement au dessus dune surface deau plus chaude. Lair reçoit de la chaleur de lhumidité par conduction et transfert turbulent. Lair devient instable est on assiste à un mélange efficace de lair plus chaud et humide avec lair très froid des couches supérieures.

31 EMCours Brouillard dévaporation + mélange

32 EMCours Fumée de mer. Halifax, 16 janvier 2004

33 EMCours Fumée de mer. Halifax, 16 janvier 2004

34 EMCours À venir … La stabilité atmosphérique

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

36 EMCours Mélange isobarique Volcan Hawaii: Kilauea

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

38 EMCours Mélange turbulent ?


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