Contribution à l'étude de la convection naturelle tridimensionnelle en cavité différentiellement chauffée

Contribution to the study of three-dimensional natural convection in differentially heated cavity

• Auteur / Autrice : Jacques Salat
• Direction : François Penot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie, thermique, combustion
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et aéronautique (Poitiers1992-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert radiatif

Simulation par ordinateur

Chaleur -- Convection

Écoulement tridimensionnel

Vélocimétrie laser-Doppler sanguine

Résumé

Cette étude expérimentale et numérique s'intéresse aux écoulements tridimensionnels de convection naturelle de l'air en cavité différentiellement chauffée pour une valeur du nombre de Rayleigh égale à 1,48. 109, soit en régime de transition avancée à la turbulence. La cavité a pour dimensions 1m x 1m x 0,32m. Elle est constituée de deux parois actives verticales à température uniforme et imposée, de deux parois horizontales isolantes et de deux parois latérales supposées adiabatiques. La résolution d'un problème inverse permet la détermination précise des conditions aux limites thermiques relatives aux parois horizontales, et des mesures par caméra infrarouge fournissent une cartographie de température des parois latérales. Une caractérisation des champs thermiques par microthermocouples, et dynamiques (mesure des 3 composantes de la vitesse) par LDV, dans différents plans de la cavité est proposée ainsi que les champs couplés vitesse-température dans le plan vertical médian. Une comparaison de ces mesures aux résultats numériques obtenus par DNS-3D par méthode spectrale Chebyshev est restituée. L'influence de la profondeur de la cavité et de l'émissivité des différentes parois est examinée. Enfin, une simulation munie des conditions aux limites thermiques expérimentales sur les 6 faces de la cavité permet notamment d'expliquer les mécanismes complexes d'alimentation des couches limites.

This experimental and numerical study is interested in the three-dimensional low level turbulence flows of natural convection in an air filled differentially heated cavity at a Rayleigh number of 1. 48. 109. Dimensions of the cavity are 1m x 1m x 0. 32m. It consists of two vertical active walls at uniform and imposed temperature, two insulating horizontal walls and two assumed adiabatic side walls. The resolution of an inverse problem allows the precise determination of the thermal boundary conditions relative to the horizontal walls, and measurements by infra-red camera provide a temperature cartography of the side walls. A characterization of the thermal fields by microthermocouples, and dynamic fields (measurement of the 3 velocity components) by LDV, in several plans of the cavity is proposed as well as the coupled fields velocity-temperature in the median vertical plan. A comparison of these measurements to the numerical results obtained by DNS-3D Chebyshev spectral method is presented. Both depth of the cavity and lateral walls emissivity influences is examined. Finally, a simulation performed with the experimental thermal boundary conditions on the 6 faces of the cavity makes it possible to explain complex mechanisms of boundary layers supply.