Sensibilité de la convection naturelle en cavité différentiellement chaufféé à des variations de paramètres géométriques, thermiques et massiques

Sensitivity of natural convection in differentially heated cavity to geometric, thermal and mass parameter variations

• Auteur / Autrice : Nicolas Rouger
• Direction : François Penot, Jean-Michel Most
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aéronautique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Transfert radiatif

Thermocouples

Vélocimétrie laser Doppler

Chaleur -- Convection

Résumé

La convection naturelle en cavité étant un phénomène chaotique, l'influence de différents paramètres sur l'écoulement et le transfert de chaleur est donc essentielle à connaître. Ce mémoire regroupe trois études expérimentales complémentaires de convection naturelle en cavité différentiellement chauffée. L'influence des variations du taux de CO2 dans l'air contenu dans l'enceinte sur l'écoulement de convection naturelle, caractérisé par un nombre de Rayleigh de 1,5. 10^9 (pour l’air pur) a été analysée. Le taux de CO2 n'affecte pas l'écoulement de convection naturelle, que ce soit sur la stratification thermique dans le coeur de l'enceinte ou sur le débit massique du fluide circulant dans les couches limites. De même, lorsque cette cavité est munie d'un linteau au plafond, le débit massique circulant dans l'enceinte ne change pas malgré le doublement des pertes de charge potentielles. L'écoulement principal suit les parois sans décollement apparent. Le linteau introduit seulement localement des écoulements secondaires 3D plus importants, notamment dans les angles. Une étude expérimentale pour un nombre de Rayleigh voisin de 10^11, effectuée dans une cavité différentiellement chauffée de grande taille (4m de hauteur), a permis de quantifier les grandeurs essentielles caractérisant la dynamique et de la thermique de la convection naturelle dans une configuration géométrique peu commune. Cette expérience a permis d'étendre sur près de 4 décades de variation du nombre de Rayleigh des cavités différentiellement chauffées, la loi unique d’évolution du nombre de Reynolds, basé sur le débit massique circulant, en fonction du nombre de Rayleigh élevé à la puissance 1/3.

Natural convection in cavity is a chaotic phenomenon, so the influence of different parameters on the flow and the heat transfer is essential to know. This thesis presents three experimental complementary studies of natural convection in differentially heated cavity. The first part studied the influence of the changes in the CO2 rate in the enclosure air on the natural convection flow, characterized by a Rayleigh number of 1. 5×10^9 (for pure air). The CO2 rate has almost no influence on the natural convection flow, whether on the thermal stratification in the heart of the cavity or on the mass flow rate circulating in the boundary layers. Likewise, when a lintel is stuck at the ceiling of this same cavity, the mass flow rate does not change despite the pressure loss doubling. The main flow follows the walls without distinguishable separation. The lintel introduces, only locally, 3-D secondary flows more important, especially in the angles. An experimental study for a Rayleigh number close to 10^11, realized in a large differentially heated cavity (4m high), has enabled to quantify the essential natural convection parameters characterizing dynamics and thermics in an unusual geometric configuration. This experiment has enabled to expand nearly 4 decades of Rayleigh number variation in differentially heated cavities, the only evolution law of the Reynolds number, based on the circulating flow rate, according to Rayleigh number exponent 1/3.