Contribution à l’étude numérique de la ventilation naturelle dans des cavités ouvertes par la simulation des grandes échelles : application au rafraîchissement passif des bâtiments

Numerical investigation of natural ventilation in open cavities through a large eddy simulation for the passive cooling of buildings

• Auteur / Autrice : Boris Brangeon
• Direction : Alain Bastide, Patrice Joubert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et sciences du bâtiment
• Date : Soutenance le 26/10/2012
• Etablissement(s) : La Réunion
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Technologies et Santé (Saint-Denis, La Réunion)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d'Ingénierie mathématique pour l'énergie et l'environnement (Saint-Denis, Réunion)
• Jury : Président / Présidente : Harry Boyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Sergent, Franck Lucas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Shihe Xin, Étienne Wurtz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constructions

Simulation des grandes échelles

Régions tropicales humides

Ventilation naturelle

Mots clés libres

Ventilation naturelle

Rafraîchissement passif

Simulation des grandes échelles

Géométries ouvertes

Natural convection

Passive cooling

Large eddy simulation

Open enclosures

Résumé

Contexte du sujet : La climatisation est un poste de dépense énergétique important dans le secteur du bâtiment, qui pourrait être réduit de manière drastique par l’utilisation de systèmes passifs de rafraîchissement. Dans les climats chauds et humides, le rafraîchissement passif des bâtiments est une solution éprouvée, qui s’ordonne autour de quatre principes : minimiser les apports de chaleur interne et externe, apporter de l’inertie au bâtiment, humidifier l’air et assurer une bonne ventilation pour favoriser les échanges convectifs. Objectifs : La description des transferts thermo-convectifs (évaluation des débits massiques, des transferts de chaleur) mis en jeu dans des cavités ouvertes (pièces avec ventilation traversante, 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 numérique. Les objectifs de ce travail de thèse sont : de réaliser des simulations numériques fines du comportement thermo-aéraulique dans des configurations typiques de systèmes passifs en climat tropical humide, afin d’améliorer nos connaissances sur la ventilation naturelle, d’approfondir et d’apporter des éléments de réponses en ce qui concerne le choix des conditions limites numériques à appliquer pour les systèmes ouverts. Modélisation numérique : 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. Résultats : Les résultats obtenus lors de ce travail concernent l’étude des conditions limites dynamiques à imposer pour des géométries ouvertes avec une SND et l’application de la SGE 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, débit enthalpique, renouvellement d’air,... ). Les résultats de ces calculs ont été comparés soit à d’autres résultats numériques dans le cadre de benchmarks nationaux (benchmark numérique AmeTh et ADNBâti) ou à des résultats expérimentaux.

Context: Air-conditioning represents a high-energy expenditure in the sector of the building, which could be reduced drastically through the use of passive cooling systems. In hot and humid climates, the passive cooling of premises is a tried and tested technique ordained around four principles: to minimize the external and internal heat transfers, to bring inertness to the building, to humidify the air, and to ensure a good convection in order to favor convective exchanges. Objective: The description of thermo-convective transfers (estimation of mass flows rate and heat transfers) set in open cavities (rooms with crossing ventilation, solar chimney, outer skin of a double facade,...) is still relatively uncommon and the stakes are high to improve passive systems. The study of these phenomena can be evaluated through computational fluid dynamics. This thesis’s objectives are to achieve precise numerical simulations of airflow inspecific configurations of passive systems in damp tropical climates, in order to improve and deepen our knowledge of natural convection and to begin to give information concerning the choice of numerical boundary conditions to apply to open geometries.Numerical approach: The numerical approach adopted in this work, to study the natural turbulent convection, is the Large-Eddy Simulation. This approach is halfway between a direct numerical simulation and Reynolds-averaged Navier–Stokes equations. Such a technique is advantageous as it leads to a necessary substantial reduction of the number of discretizationpoints compared to the technique of direct simulation requirements, while retaining the dynamic aspect of the flows. Results: The results obtained in this work refer to the study of the dynamic boundary conditions to impose in open geometries with SND and to the application of the LES to different configurations of open cavities with a turbulent flow, in order to characterize temperature and velocity fields and then deduce mass flow rate, enthalpy flow,... The results have been compared either to other numerical results in the framework of national benchmarks (benchmark AmeThand ADNBâti) or to experimental results.