Convection naturelle turbulente en cavité différentiellement chauffée à grands nombres de Rayleigh : caractérisation expérimentale des écoulements et des transferts thermiques, étude numérique du couplage convection-rayonnement

par Francis Lénine Djanna Koffi

Thèse de doctorat en Energie, thermique, combustion

Sous la direction de Didier Saury, Patrice Joubert et de Denis Lemonnier.


  • Résumé

    Ce travail présente des résultats expérimentaux obtenus dans une cavité différentiellement chauffée de 4 m de hauteur. Dans cette étude, des cartographies de température (micro-thermocouples) et de vitesse (LDV 2D et PIV standard) ont été établies pour des écoulements de convection naturelle turbulente à grands nombres de Rayleigh (4,0×1010 ≤ RaH ≤ 1,2×1011) tout en respectant l'approximation de Boussinesq. L'exploitation des résultats expérimentaux a, entre autre, permis de caractériser la stratification thermique au centre de la cavité ainsi que son évolution en fonction du nombre de Rayleigh pour différentes émissivités des parois passives. En outre, cette caractérisation a permis de connaître les répartitions des flux échangés à la paroi, la typologie des écoulements au voisinage des parois actives et dans le plan vertical médian, ainsi que le cheminement du fluide dans la partie haute de la cavité. Ces résultats sont ensuite comparés à ceux obtenus dans d'autres cavités différentiellement chauffées de moindres dimensions étudiées antérieurement au laboratoire. L'ensemble de ces résultats montre une grande cohérence et nous permet de déterminer des lois d'évolution de la vitesse maximale atteinte dans la cavité et du transfert de chaleur aux parois en fonction du nombre de Rayleigh en régime laminaire et turbulent. En parallèle, une étude numérique 2D a été réalisée. Son objectif est d'étudier l'influence du rayonnement de surface ou volumique sur la structure de l'écoulement et sur les modes de transfert de chaleur. A cette fin, un module de transferts radiatifs a été implanté dans un code Volumes Finis de convection naturelle turbulente existant. La modélisation de la turbulence est réalisée par une approche LES avec un modèle de diffusivité de sous maille adapté à la convection naturelle. La partie rayonnement est traitée à l'aide d'un modèle de gaz gris par bande, associé à une méthode aux ordonnées discrètes. Une analyse de l'influence du rayonnement de parois et/ou de gaz sur les écoulements turbulents de convection naturelle est réalisée pour un nombre de Rayleigh de 1,2x1011.

  • Titre traduit

    Turbulent natural convection in differentially heated cavity at large Rayleigh numbers : characterization of airflows and heat transfers, numerical study of the coupling between radiation and convection


  • Résumé

    This work presents experimental results obtained in a 4m-height differentially heated cavity. In this study, temperature and velocity profiles were obtained for turbulent natural convection flows (respecting the Boussinesq approximation) at large Rayleigh numbers. These results allow characterizing the evolution of thermal stratification in the core of the cavity for various wall emissivities and Rayleigh numbers. Moreover, the distribution of wall heat fluxes was obtained. The behaviour of natural convection air flow was known near the two active walls, on the median plane and in the upper part of the cavity. These results are then compared with those obtained in smaller differentially-heated cavities investigated before at the laboratory. All these results show a good agreement and allow us to determine evolution laws on the maximum velocity and on the wall heat transfer when increasing the Rayleigh number. In addition, a 2D numerical tool is carried out aiming at study the influence of surface and/or gas radiation of the airflow behavior and on different heat transfer modes. Thus, a radiation module has been added in a finite volumes code suitable to solve turbulent natural convection flows. The modelling of turbulence is carried out using a LES approach with a local subgrid thermal diffusivity model appropriated for natural convection flows in cavities. Gas radiation is analyzed with a grey gas model per band, coupled with the discrete ordinates method. The influence of the surface and/or gas radiation on the turbulent natural convection has been examined for a Rayleigh number of 1,2 011.

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  • Détails : 1 vol. (XIV-229 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 203-211

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  • Cote : 2011ESMA0003
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