Thermo-Convectifs en Cavités

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1 Thermo-Convectifs en Cavités
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 Contrôle des Instabilités, de la Transition et des Transferts des Écoulements Thermo-Convectifs en Cavités  Application à la ventilation des enceintes et des locaux ____________ Rapport d’activité 2005 G. Polidori , S. Fohanno, A. Korichi Laboratoire de Thermomécanique, UTAP, EA 2061, Université de Reims. P. Joubert, R. Ezzouhri LEPTAB, UPRES-EA 2119, Université de La Rochelle F. Penot, N. Rouger LET-ENSMA, UMR 6608 CNRS , Poitiers S. Xin, P. Le Quéré, A. Sergent LIMSI-CNRS, UPR 3251, Orsay

2  Objectifs de l’action :
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 Objectifs de l’action : - agir/perturber les écoulements de Convection Naturelle, afin de contrôler les transferts de chaleur pariétaux - permettre une prédiction des écoulements transitionnels et turbulents de C. Nat (Ra  1010 caractéristiques de ceux rencontrés dans l’habitat)  • Etudes orientées « stabilité/perturbations » 1. Pour des écoulements externes le long de parois verticales avec des obstacles de parois (études expérimentales, Lab. Thermomécanique Reims) 2. Pour des écoulements transitionnels en cavité de rapport de forme (études expérimentales ou numériques), sans résultats convaincants pour l’instant en ce qui concerne l’amélioration des transferts • Etudes orientées vers la prédiction numérique des écoulements à hauts Rayleigh (DNS, SGS) 1. Réalisation d’une expérimentation de référence (cavité de 1m3 du LET), 2.Comparaison fine expérience-calculs (LET- LIMSI-LEPTAB)

3 1. Etude du couplage convection-conduction-rayonnement en cavité
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 Activité 2005 : 1. Etude du couplage convection-conduction-rayonnement en cavité - Expérience avec rayonnement volumique dans une cavité différentiellement chauffée - Introduction du couplage conduction convection et rayonnement en DNS et en SGS 2. Perturbation d’écoulements le long de parois inclinées

4 R. Ezzouhri1, P. Joubert1, P. Le Quéré3, A. Sergent3, S. Xin3
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 Approche numérique des écoulements dans des cavités typiques de l'habitat R. Ezzouhri1, P. Joubert1, P. Le Quéré3, A. Sergent3, S. Xin3 1 LEPTAB, 3 LIMSI CAVITÉ DIFFÉRENTIELLEMENT CHAUFFÉE Données de base : étude expérimentale, cavité du LET (résultats 3D les plus complets actuellement)  Calculs 3D avec prise en compte de conditions aux limites réalistes RAYLEIGH-BÉNARD  Approche SGS 3D à l’aide du Modèle d’Echelle Mixte de Diffusivité. Recherche de lois d’échelles pour les transferts de chaleur à hauts nombres de Rayleigh et les transitions entre régimes

5 CAVITÉ DIFFÉRENTIELLEMENT CHAUFFÉE
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 CAVITÉ DIFFÉRENTIELLEMENT CHAUFFÉE Etude expérimentale des écoulements 3D (thèse de J. Salat, 2004) • Mesures dans le plan médian (moments du 1er et du 2nd ordre, y compris corrélations vitesses-température ), • Mesures dans des plans horizontaux • Mesures sur les parois latérales passive  afin de quantifier les effets 3D

6 CAVITÉ DIFFÉRENTIELLEMENT CHAUFFÉE
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 CAVITÉ DIFFÉRENTIELLEMENT CHAUFFÉE Comparaison avec des simulations numériques DNS et SGS 3D Avant parois horizontales conductrices parois latérales adiabatiques

7 Après parois horizontales conductrices
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 Après parois horizontales conductrices + CL parois latérales expérimentales

8 Huong Wang, S. Xin, P. Le Quéré, LIMSI
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 Couplage de la convection naturelle en cavité avec le rayonnement de surface, Huong Wang, S. Xin, P. Le Quéré, LIMSI CAVITÉ DIFFÉRENTIELLEMENT CHAUFFÉE « ADIABATIQUE » But : Introduire la conduction et le rayonnement de surface afin de se libérer de la connaissance à priori des répartitions de température pariétale des parois passives Approche numérique : - DNS 3D - Décomposition de domaines

9 Comparaison expérience-calcul :
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 Comparaison expérience-calcul :

10  Evident, mais ne suffit pas (cf. résultats précédents)
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 Effets du rayonnement Flux radiatif net moyenné en temps sur les parois horizontales et verticales 1. le plafond perd de l’énergie par rayonnement et l’air avoisinant est refroidi. 2. le plancher gagne de l’énergie par rayonnement et l’air avoisinant est réchauffé  Evident, mais ne suffit pas (cf. résultats précédents) 3. sur les parois avant et arrière le rayonnement de surfaces extrait de la chaleur sur la partie haute et en réinjecte à l’air dans la partie basse.  homogéneïsation du gradient de température en partie centrale de la cavité (effet de court-circuit thermique entre les parties haute et basse)

11 Réseau AMETH Action 1.1 Journée SFT du 9 novembre 2005
INFLUENCE DU RAYONNEMENT EN 2D Cavité 2D pour laquelle les 4 faces ont la même émissivité :  le rayonnement influe peu sur les couches limites verticales et il renforce légèrement l’écoulement horizontal le long des parois horizontales.  avec l’augmentation de l’émissivité, la structure de l’écoulement tend vers celle dans une cavité avec parois horizontales conductrices.  le rayonnement de surfaces rend l’apparition de l’instationnarité plus précoce

12 F. Penot, N. Rouget, LET-ENSMA
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 Influence du CO2 sur l’écoulement de convection naturelle dans une cavité différentiellement chauffée. Étude de l’injection de CO2, F. Penot, N. Rouget, LET-ENSMA Objectifs :  Influence du rayonnement volumique sur l’écoulement dans la cavité  Comparaison de l’influence rayonnement de paroi/rayonnement volumique Canne portant les thermocouples Analyseur de CO2 Détendeur Bouteille de CO2 pressurisé Débitmètre Tf Tc X Y

13 De la difficulté de remplir la cavité de CO2 ...
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 De la difficulté de remplir la cavité de CO2 ... - L’introduction de CO2 perturbe l’écoulement initial - Temps de relaxation important pour retrouver un écoulement établi

14 Influence du taux de CO2 sur l ’écoulement
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 Influence du taux de CO2 sur l ’écoulement

15 Influence du taux de CO2 sur l’écoulement
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 Influence du taux de CO2 sur l’écoulement - Pour des taux de CO2 de l ’ordre de 30%, pas d ’influence significative sur l’écoulement (petite diminution de débit observée avec un ralentissement des CL horizontales) - Manip à affiner, et premières mesures à confirmer

16 Contrôle des couches limites par obstacles en régime variable
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 Contrôle des couches limites par obstacles en régime variable A. Korichi, S. Fohanno, G. Polidori, Laboratoire de Thermomécanique - Analyse de l’influence de perturbateurs placés au sein d’une couche limite de convection naturelle de plaque verticale sur le transfert de chaleur pariétal transitoire. - Extension à une plaque inclinée

17 Réseau AMETH Action 1.1 Journée SFT du 9 novembre 2005
Perturbateurs = prismes droits à base carrée (20 x 20 x 10 mm3) non conducteurs de la chaleur (® téflon Détail de l’écoulement autour du 3ème obstacle pour un angle d’inclinaison de la paroi de +10° l’écoulement rotationnel occupe entièrement les cavités ouvertes

18 sulforhodamine et fluorescéine
Rilsan sulforhodamine et fluorescéine 6 min 10 min t=4mn40s 4 min 40 7 min 3 min 2 min t=2mn 2 min 1 min 20 1 min 1 min  = - 20°  = -10°

19 Dépouillements en cours mais :
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 Dépouillements en cours mais : le transfert thermique semble augmenté pour des incidences positives et diminué pour des incidences négatives -la manipulation contrôlée des sources de chaleur via l’utilisation de parois inclinées peut-elle induire des situations instables quasi-permanentes ayant une influence non négligeable sur les transferts de chaleur à la paroi ?

20 Bilan et Perspectives :
Réseau AMETH Action Journée SFT du 9 novembre 2005 Bilan et Perspectives : Coopération fructueuse  Amélioration de la connaissance des écoulements de convection naturelle en cavité transitionnelle ou en écoulement libre avec obstacles Proposition de clôture de l’action actuelle pour aller vers de nouvelles orientations - action « thermique des enveloppes » (Ameth) - projet COuplage COnvection RAyonnement pour l ’HAbitat (ACI Energie-Habitat)