Contribution A L’etude De La Convection Naturelle Turbulente Dans Un Canal Vertical, Caracterisation Experimentale De L’ecoulement Et Etude Parametrique Numerique

Résumé: La description des transferts thermo-convectifs (évaluation des débits massiques, des transferts de chaleur) mis en jeu dans des cheminées (cheminées solaires, doubles peaux, espaces sous toiture) est encore mal connue et constitue un enjeu pour l’amélioration des systèmes passifs. L’étude de ces phénomènes peut être évaluée par la mécanique des fluides expérimentale et numérique. La première partie de ce mémoire est consacrée à l’examen approfondi de la dynamique de l’écoulement dans un canal vertical muni d’un barreau générateur de chaleur. Des mesures du champ dynamique par PIV-2D ont permis de comprendre le comportement de l’écoulement de la convection naturelle dans la cheminée et d’apprécier l’influence des conditions limites libres. Des cartographies de vitesse (PIV-2D) ont été établies pour des écoulements de convection naturelle turbulente à des nombres de Rayleigh élevés (RaH = 2,5×109 et RaH = 109). L’exploitation des résultats expérimentaux a, entre autre, permis de caractériser la typologie de l’écoulement dans le plan médian et autour du barreau chauffant, ainsi que le cheminement du fluide dans la cheminée et les caractéristiques turbulentes dans ce type de géométrie. L’approche numérique adoptée dans ce travail, pour étudier la convection naturelle turbulente, est la simulation des grandes échelles (SGE ou LES en anglais). Cette approche se situe à mi-parcours entre la méthode de calcul direct et la résolution des équations moyennées en temps, de type RANS. L’avantage d’une telle technique est la réduction appréciable du nombre de points de discrétisation nécessaire par rapport à celui exigé par la méthode de calcul direct, tout en conservant l’aspect dynamique des écoulements. Les résultats obtenus lors de ce travail concernent premièrement l’étude des conditions limites dynamiques à imposer pour des géométries ouvertes avec l’application de la technique LES à différentes configurations de cavités ouvertes en régime turbulent, afin de caractériser les champs de température et de vitesse et d’en déduire les grandeurs intégrales d’intérêt (débit massique adimensionnel,...). Les résultats de ces calculs ont été comparés soit à d’autres résultats numériques dans le cadre de benchmarks (benchmark numérique AMETh) ou à nos résultats expérimentaux.

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