Contribution à l’étude expérimentale et modélisation des transferts de chaleur par convection dans une lame d’air différentiellement chauffée

Contribution in experimental study and modelling of the heat tranferts by convection in a blade of air differentiellement heated

• Auteur / Autrice : Yassine Cherif
• Direction : Stéphane Lassue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science pour l'ingénieur. Génie civil
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Artois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluxmètres

Chaleur -- Convection

Transfert de chaleur

Résumé

Ce travail s’inscrit dans le contexte expérimental et numérique de l’étude des échanges superficiels couplés à la surface d’une paroi plane. Nous nous intéressons ici plus particulièrement au cas où la surface plane est une des faces d’une lame d’air ventilée et différentiellement chauffée, l’objectif étant de mesurer et séparer les influences respectives des transferts convectifs et radiatifs. La solution expérimentale proposée pour traiter ce problème repose sur l’utilisation d’une instrumentation fluxmétrique élaborée dans notre laboratoire, il y a plusieurs années. Notre objectif est d’étendre le domaine d’application de ces capteurs. Après avoir rapidement présenté différentes méthodes expérimentales existantes avec leurs avantages et inconvénients, l’instrumentation utilisée dans notre travail est décrite en détails ainsi que le contexte expérimental qui est le support de nos études. Il s’agit ici du cas d’un écoulement d’air, pleinement développé, dans un canal horizontal de section rectangulaire. Les travaux portent sur les échanges à la surface d’une plaque plane horizontale et isotherme. Différentes situations sont étudiées afin de mettre en évidence la possibilité de séparer les composantes radiatives et convectives du flux et de montrer comment des mesures locales permettent d’obtenir une cartographie des échanges, ceci même en présence d’obstacles perturbateurs de l’écoulement. Un outil de simulation numérique (FLUENT) est utilisé pour mettre en place une double démarche d’expérimentation et de modélisation. Ces deux approches, en parallèle, permettent de conforter les résultats expérimentaux dans les cas où la modélisation est relativement « simple » à mettre en oeuvre. Il est également possible d’obtenir expérimentalement des renseignements très utiles à l’élaboration de simulations numériques dans des cas plus complexes. Dans les différentes configurations présentées, les résultats expérimentaux sont le plus souvent en excellent accord avec ceux des simulations numériques ou ceux qui sont disponibles dans la littérature. La dernière partie du mémoire est une présentation d’études menées dans le cadre d’un Benchmark inter-laboratoires sur le problème de la convection naturelle dans un canal vertical différentiellement chauffé. Les outils et hypothèses de simulations numériques ainsi que leurs résultats sont présentés et commentés. Les premières expérimentations sont décrites et semblent dans le contexte particulier de la convection naturelle fournir des données intéressantes pour de futures explorations.

This work take place in the experimental and numerical studies of the coupled superficial heat transfers on a plane wall. We are interested here, more particularly, in the case of a plane surface which is one of the faces of a ventilated and differentially heated air layer. The objective is to measure and separate the respective influences of the convective and radiative heat transfers. The experimental solution suggested to solve this problem consists in the use of fluxmetric instrumentation elaborated several years ago in our laboratory. After having quickly presented various existing experimental methods with their advantages and disadvantages, the instrumentation used in our work is described in details as well as the experimental context which is the support of our studies. It concerns here the case of a fully developed air flow in a horizontal channel with a rectangular section. The work concerns the exchanges on the surface of a horizontal and isothermal plate. Various situations are studied in order to demonstrate the possibility of measuring separately, the radiative and the convective components of heat flow and to show how local measurements make possible to obtain a thermal exchanges “cartography” even if there are disturbing obstacles in the fluid flow. A tool for numerical simulation (FLUENT) is used to set up a double step of experimentation and modelling. These two scientific approaches, in parallel, make possible to confirm the experimental results whenever modelling is relatively “simple” to implement. It is also possible to obtain experimental data very useful for the development of numerical simulations in most complicated cases. In this work, in the various presented configurations, the experimental results are generally in excellent agreement with the numerical simulations or results which are available in the bibliography. The last part of this work consists in a presentation of studies realized within a Benchmark work of an inter-laboratory framework on the problem of the free convection in a vertical channel differentially heated. The tools and the hypothesis for numerical simulations and their results are presented and commented. The first Abstract experiments are described and seem to provide interesting data for future explorations in the particular context of the free convection.