Etude des champs dynamique et thermique dans une enceinte semi-ventilée en convection naturelle

par Anicet Christian Koueni Toko

Thèse de doctorat en Energétique

Le président du jury était Jean Maquet.

Les rapporteurs étaient Jean Nganhou, Didier Saury.


  • Résumé

    Ce travail étudie expérimentalement et numériquement, les champs thermique et dynamique produits par une source linéaire de chaleur placée à la base d’une enceinte parallélépipédique en contact avec l’extérieur par l’intermédiaire de deux ou quatre ouvertures rectangulaires identiques. Deux enceintes M1 et M2, de rapports d’aspect respectifs H/L= 2,46 et 0,82, ont été successivement étudiées pour trois situations géométriques différentes. Dans les cas 11 et 12, l’enceinte M1 présente respectivement deux ouvertures symétriques localisées au bas de l'enceinte ou quatre ouvertures, deux situées au niveau du plancher et deux au niveau du plafond. Dans le cas 21, les deux ouvertures de l’enceinte M2 sont situées symétriquement au bas de l'enceinte. La source de chaleur peut être alimentée selon deux modes : puissance par unité de longueur constante ou température constante pour lesquels elle se comporte respectivement comme un système du premier ou du second ordre. Les études expérimentales ont été réalisées pour les cas 11, 12 et 21, en situations instationnaire et stationnaire, en mesurant les champs de température moyenne au sein de l’enceinte au moyen de thermocouples et le champ vertical des différences de pression statique à l’aide de capteurs de pression placés en parois. Les études numériques ont été menées par DNS pour les cas 11 et 12 en considérant que la source de chaleur est à température constante. L’approche analytique a été limitée au cas stationnaire d’un modèle à zones dans lesquelles la température est constante ou varie linéairement avec l’altitude. Dans le mode puissance par unité de longueur constante, les résultats expérimentaux montrent qu’avant d’atteindre un état stationnaire, le remplissage thermique de l’enceinte est contrôlé par la constante de temps de la source. Dans les cas 11 et 21, selon la valeur du rapport d’aspect, le panache peut rester centré ou dévié dès le début du chauffage ou après un certain temps vers une des parois latérales. De même, la région supérieure peut être homogène en température ou stratifiée et les écoulements présents aux ouvertures peuvent être symétriques ou dissymétriques. Le cas 21 présente une similarité avec celui de la « filling box » de Baines et Turner (1969) uniquement dans la phase initiale de chauffage. Dès que l’intérieur de l’enceinte est chauffé, les modifications de pression statique induisent des échanges gazeux avec l’extérieur qui se traduisent par un chauffage de la région située autour du panache. Dans le mode température constante, dans le cas 11, le panache reste centré en raison de l’effet stabilisant de ce mode de chauffage. Cette situation fait que ce cas est très similaire au cas 21. Dans le cas 12, la hauteur neutre se retrouve très rapidement à z/H=0,6 ce qui favorise l’entrée d’air extérieur au niveau des ouvertures basses et la sortie de l’air chaud par les ouvertures hautes. La zone basse de l’enceinte est peu chauffée et la zone supérieure est homogène en moyenne en température. Les comparaisons entre les champs de température et de différence de pression statique obtenus en situations stationnaires expérimentalement et numériquement montrent accord plus satisfaisant dans le cas 11 que dans le cas 12.


  • Résumé

    We examine in this work from an experimental and numerical point of view, both the transient and stationary behaviour of the thermal and dynamical fields in a naturally ventilated space in presence of a heated line source located at the basis of the volume. Two rectangular boxes M1 and M2 with aspect ratios H/L= 2. 46 and 0. 82 are successively considered. These volumes are connected to the exterior either via two openings at the bottom (case 11 and 21) or via two openings at the bottom and two openings at the top (case 12). The heated line source is operated either in the constant power per unit length or in the constant temperature modes for which it can be considered as a first order or a second order system respectively. Experimental studies were performed by measuring temperature by means of thermocouples and static pressure differences using pressure sensors located on the lateral walls. The numerical studies were performed by DNS for cases 11 and 12, considering that the heat source is at a constant temperature. The analytical approach was limited to the stationary case of a zone model in which, in each zone, temperature is constant or varies linearly with height. In the constant power per unit length case, experimental results show that the time evolution of the filling box is controlled by the time constant of the line source. In cases 11 and 21, depending on the value of the aspect ratio, the plume is centred or displaced towards one of the lateral walls. Similarly, the upper region is found to be homogeneous in temperature or stratified and flows at the openings are observed symmetrical or dissymmetrical. In the constant temperature mode, in case 11 the plume stays centred due to the stabilizing effect of this heating mode. In case 12, the neutral height is located at z/H=0. 6 resulting in inflow through the lower openings and outflow through the upper openings. The lower region is at low temperature and the upper zone is homogeneous in temperature. Results obtained in case 21 are very similar to those of the filling box, Baines and Turner (1969) only during the initial phase. As soon as the inner volume is heated, changes of the static pressure induce inflows in the volume and inner recirculation resulting in heating of the region outside the plume. Comparisons between fields of mean temperature and static pressure differences obtained in stationary situations experimentally, numerically and analytically show a better agreement in case 11 that in case 21.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (203 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 90 références

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université de Rouen. Service commun de la documentation. Section sciences site Madrillet.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 16/ROUE/S054
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.