Contribution au contrôle de la convection naturelle par excitation thermique des couches limites en cavité différentiellement chauffée PDF Download
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Book Description
Ce travail, essentiellement expérimental, concerne l'étude des écoulements d'air en cavité différentiellement chauffée de rapport de forme vertical 4. Afin d'agir sur les transferts de chaleur, une perturbation thermique est introduite par l'intermédiaire d'un petit tube chauffé et refroidi périodiquement en amorce de la couche limite chaude. La première partie de ce mémoire est consacrée à l'examen de deux régimes d'écoulements obtenus sans excitation thermique. Des mesures par LDV-2D et par thermocouples ont permis de comprendre le comportement de ces écoulements de base naturels et d'apprécier l'influence des conditions limites pariétales sur le mouvement de fluide. La manipulation de ces écoulements laminaires instationnaires et chaotiques, par l'intermédiaire d'une perturbation thermique périodique est entreprise dans la seconde partie du manuscrit. La DNS de l'effet d'une excitation sinusoïdale de température dans la zone de développement des couches limites démontre la possibilité d'agir sur le transfert thermique. A l'aide de mesures par PIV et par un fluxmètre original mis au point à cette occasion, la dynamique et les coefficients d'échange de chaleur locaux ont été comparés pour différents modes de l'excitation introduite dans la cavité. L'efficacité de l'excitation est ainsi caractérisée.
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Ce travail, essentiellement expérimental, concerne l'étude des écoulements d'air en cavité différentiellement chauffée de rapport de forme vertical 4. Afin d'agir sur les transferts de chaleur, une perturbation thermique est introduite par l'intermédiaire d'un petit tube chauffé et refroidi périodiquement en amorce de la couche limite chaude. La première partie de ce mémoire est consacrée à l'examen de deux régimes d'écoulements obtenus sans excitation thermique. Des mesures par LDV-2D et par thermocouples ont permis de comprendre le comportement de ces écoulements de base naturels et d'apprécier l'influence des conditions limites pariétales sur le mouvement de fluide. La manipulation de ces écoulements laminaires instationnaires et chaotiques, par l'intermédiaire d'une perturbation thermique périodique est entreprise dans la seconde partie du manuscrit. La DNS de l'effet d'une excitation sinusoïdale de température dans la zone de développement des couches limites démontre la possibilité d'agir sur le transfert thermique. A l'aide de mesures par PIV et par un fluxmètre original mis au point à cette occasion, la dynamique et les coefficients d'échange de chaleur locaux ont été comparés pour différents modes de l'excitation introduite dans la cavité. L'efficacité de l'excitation est ainsi caractérisée.
Author: Jacques Salat Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 214
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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.
Author: Nicolas Rouger Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 262
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La convection naturelle en cavité étant un phénomène chaotique, l'influence de différents paramètres sur l'écoulement et le transfert de chaleur est donc essentielle à connaître. Ce mémoire regroupe trois études expérimentales complémentaires de convection naturelle en cavité différentiellement chauffée. L'influence des variations du taux de CO2 dans l'air contenu dans l'enceinte sur l'écoulement de convection naturelle, caractérisé par un nombre de Rayleigh de 1,5.10^9 (pour l’air pur) a été analysée. Le taux de CO2 n'affecte pas l'écoulement de convection naturelle, que ce soit sur la stratification thermique dans le coeur de l'enceinte ou sur le débit massique du fluide circulant dans les couches limites. De même, lorsque cette cavité est munie d'un linteau au plafond, le débit massique circulant dans l'enceinte ne change pas malgré le doublement des pertes de charge potentielles. L'écoulement principal suit les parois sans décollement apparent. Le linteau introduit seulement localement des écoulements secondaires 3D plus importants, notamment dans les angles. Une étude expérimentale pour un nombre de Rayleigh voisin de 10^11, effectuée dans une cavité différentiellement chauffée de grande taille (4m de hauteur), a permis de quantifier les grandeurs essentielles caractérisant la dynamique et de la thermique de la convection naturelle dans une configuration géométrique peu commune. Cette expérience a permis d'étendre sur près de 4 décades de variation du nombre de Rayleigh des cavités différentiellement chauffées, la loi unique d’évolution du nombre de Reynolds, basé sur le débit massique circulant, en fonction du nombre de Rayleigh élevé à la puissance 1/3.
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CE TRAVAIL CONCERNE L'ETUDE EXPERIMENTALE DES ECOULEMENTS D'AIR RENCONTRES DANS UNE CAVITE CUBIQUE, D'ENVIRON 1 M#3 DE VOLUME. LA PREMIERE PARTIE DE CE MEMOIRE EST CONSACREE A L'EXAMEN DETAILLE DE LA CONVECTION NATURELLE EN CAVITE FERMEE. DEUX PAROIS VERTICALES OPPOSEES SONT DIFFERENTIELLEMENT CHAUFFEES A TEMPERATURE CONSTANTE. LES PAROIS HORIZONTALES SONT ISOLEES THERMIQUEMENT. LES AUTRES PAROIS VERTICALES SONT CONSIDEREES COMME ADIABATIQUES. DEUX VALEURS DU NOMBRE DE RAYLEIGH CARACTERISTIQUE, SUPERIEURES A 10#9, ONT ETE ENVISAGEES. DES VISUALISATIONS, DES MESURES DE VITESSE ET DE TEMPERATURE ONT ETE ENTREPRISES, AFIN DE CARACTERISER PRECISEMENT LES CHAMPS DYNAMIQUE ET THERMIQUE DANS L'ENSEMBLE DE LA CAVITE. NOUS AVONS AINSI PU METTRE EN EVIDENCE L'EJECTION DE STRUCTURES A CARACTERE TURBULENT PAR LES COUCHES LIMITES EN DEVELOPPEMENT LE LONG DES PAROIS VERTICALES ACTIVES, L'EXISTENCE D'UNE COUCHE LIMITE CHAUDE PLUS PERTURBEE QUE LA COUCHE LIMITE FROIDE, L'EXCITATION PERMANENTE D'ONDES DE GRAVITE DANS LA PARTIE CENTRALE DE LA CAVITE THERMIQUEMENT STRATIFIEE. NOUS NOUS SOMMES ASTREINTS A DETERMINER LES CONDITIONS THERMIQUES EFFECTIVES REGNANT SUR LES PAROIS HORIZONTALES, CE QUI NOUS A PERMIS D'ETABLIR DES LOIS ANALYTIQUES SIMPLES DE REPARTITION EN TEMPERATURE QUI POURRONT SERVIR DE REFERENCE DE CONDITIONS AUX LIMITES REALISTES A INTEGRER DANS LES CODES DE CALCUL. LA SECONDE PARTIE EST CONSACREE A L'ETUDE DES ECOULEMENTS DE CONVECTION MIXTE GENERES PAR L'INTRODUCTION, DANS LA CAVITE, D'UN OU DEUX JETS, PESANTS OU NON, EN PRESENCE OU NON DE SOURCES DE CHALEUR PARIETALES. DES VISUALISATIONS, DES MESURES DE VITESSE ET DE TEMPERATURE ONT PERMIS, POUR PLUSIEURS CONFIGURATIONS, DE CARACTERISER LES STRUCTURES D'ECOULEMENTS SUSCEPTIBLES D'ETRE RENCONTREES ET DE DEGAGER DES TENDANCES GENERALES SUR LE COMPORTEMENT DES ECOULEMENTS. CETTE ETUDE A EGALEMENT ETE MENEE DANS LE BUT D'ETABLIR UNE BASE DE DONNEES EXPERIMENTALES POUVANT SERVIR A VALIDER LES MODELES NUMERIQUES APPLIQUES AUX ECOULEMENTS D'AIR DANS DES GRANDS VOLUMES DE TYPE PIECE D'HABITATION
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Ce travail expérimental s'intéresse à l'étude des bifurcations de convection naturelle dans une cavité en air de forme parallélépipédique. Cette cavité, de rapport de forme vertical égal à 4, possède deux parois en vis-à-vis respectivement chauffée et refroidie à température constante, elle peut être inclinée d'un angle compris entre 0 (chauffée par dessous) et 180°. Des mesures locales de fluctuations de température, en des endroits bien particuliers, ont permis de mettre en évidence les différentes bifurcations apparaissant pour la plupart des inclinaisons. Un comportement universel, avec une corrélation unique donnant la valeur du nombre de Rayleigh critique du premier mode instationnaire pour toutes les inclinaisons, a été également observé. Par ailleurs, différents modes d'instationnarité, en fonction de l'angle d'inclinaison, ont été trouvés et des visualisations par tomographie laser ont permis de déceler le comportement du fluide suite à l'établissement de chacun de ces différents modes. La caractérisation dynamique et thermique de ces régimes a été entreprise à l'aide de profils de température, le long de l'axe de symétrie de la cavité, ainsi que par la technique de vélocimétrie laser bidimensionnelle par imagerie de particules dans le plan médian orthogonal aux parois actives et au plancher. Quelques observations, dont l'évolution de la stratification thermique et les différents régimes d'écoulements rencontrés suivant l'inclinaison, ont été dégagées. Enfin, une attention toute particulière a été consacrée au cas de la convection fortement turbulente de Rayleigh-Bénard avec la détermination de quantités turbulentes 3D.
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L'influence des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle en cavités habitables est étudié numériquement en régimes turbulents. L'étude considère des approches DNS et LES pour le problème de convection et une méthode des ordonnées discrètes (MOD) pour la résolution du problème radiatif combinée au modèle de gaz réel SLW. La configuration étudiée est basée sur une cavité différentiellement chauffée expérimentale en air située à l'institut PPRIME, de rapport d'aspect vertical 4, pour des nombres de Rayleigh allant de 1,5x109 à 1,2x1011. La première partie de l'étude se focalise sur les techniques de parallélisations hybrides MPI + OpenMP de la MOD. Les méthodes développées montrent une amélioration des performances de 13 à 1600% pour des niveaux d'hybridations élevés par rapport à la méthode classique de front d'onde. Puis, une étude du couplage convection-rayonnement surfacique est réalisée au travers d'une étude de sensibilité de l'écoulement vis-à-vis des émissivités de parois pour différentes valeurs du nombre de Rayleigh. Ensuite, le rayonnement volumique du gaz est ajouté, et son impact est évalué au travers d'une variation du taux d'humidité relative du mélange air sec/vapeur d'eau. Les résultats obtenus sont comparés aux cas d'une cavité convectivement adiabatique (i.e. flux convectif nul aux parois passives). Les transferts radiatifs ont pour effet de diminuer la stratification thermique centrale et d'augmenter la dynamique générale de l'écoulement. L'émissivité des parois passives pilote principalement la localisation de la transition laminaire-turbulente aux parois actives et la stratification centrale, tandis que le rayonnement de gaz ne semble impacter que les couches limites des parois horizontales.
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CE MEMOIRE VISE A MONTRER QUE L'INFLUENCE DU RAYONNEMENT THERMIQUE EST SOUVENT NON NEGLIGEABLE LORS DES ETUDES EXPERIMENTALES DES ECOULEMENTS DE CONVECTION NATURELLE DANS LES CAVITES DIFFERENTIELLEMENT CHAUFFEES ET A GRAND NOMBRE DE RAYLEIGH. CE TRAVAIL DE RECHERCHE SUR LES COUPLAGES CONVECTION-RAYONNEMENT EN CAVITE FERMEE EST DANS UN PREMIER TEMPS ESSENTIELLEMENT EXPERIMENTAL. NOUS AVONS CONSTRUIT POUR CELA UNE MAQUETTE A RAPPORT DE FORME VOISIN DE L'UNITE POSSEDANT QUATRE PAROIS THERMOREGULABLES. LE NOMBRE DE RAYLEIGH RELATIF A LA HAUTEUR EST COMPRIS ENTRE 3.10 8 ET 1.10 9. LES CHAMPS DE TEMPERATURE SONT EXAMINES PAR INTERFEROMETRIE HOLOGRAPHIQUE EN TEMPS REEL (IHTR) AU VOISINAGE D'UNE PAROI CHAUDE. CELLE-CI EST SOIT LA FACE HORIZONTALE SUPERIEURE (CONFIGURATION PLAFOND CHAUD) SOIT UNE FACE VERTICALE PREPAREE EN VUE DE PRESENTER UNE EMISSIVITE PROCHE DE 0.07 OU PROCHE DE 0.9. DEUX GAZ DE REMPLISSAGE AUX PROPRIETES D'ABSORPTION DIFFERENTES SONT UTILISES : L'ARGON TRANSPARENT DANS L'INFRAROUGE AFIN D'AVOIR UNE REFERENCE SANS LES EFFETS DU RAYONNEMENT ET LE DIOXYDE DE CARBONE, ABSORBANT. LES RESULTATS OBTENUS MONTRENT DES EFFETS MESURABLES DU TRANSFERT RADIATIF SUR LES ECOULEMENTS DE CONVECTION NATURELLE. A LA SORTIE DES COUCHES LIMITES, LA NATURE DU GAZ AINSI QUE L'EMISSIVITE DES PAROIS ONT UNE INFLUENCE NON NEGLIGEABLE SUR LES PROFILS DE TEMPERATURE. POUR LA CONFIGURATION PLAFOND CHAUD, LE RAYONNEMENT ENTRAINE LA MISE EN MOUVEMENT DE L'ENSEMBLE DU FLUIDE A DES VITESSES DE L'ORDRE DU MILLIMETRE PAR SECONDE QUI, INTEGREES SUR DES SURFACES DE PLUSIEURS METRES CARRES, CONDUISENT A DES DEBITS ASCENDANTS IMPORTANTS AU SEIN DE LA CAVITE. CONCERNANT, LES ECHANGES DE CHALEUR ENTRE LA PAROI CHAUDE ET LE FLUIDE, LE COUPLAGE INDUIT DES DIFFERENCES OBSERVABLES MAIS SANS RAPPORT AVEC LES RESULTATS DE F. YGUEL A RAYLEIGH PLUS ELEVE DANS L'AIR. LES MECANISMES DE COUPLAGE RAYONNEMENT-CONVECTION EN CAVITE SONT ANALYSES EN DETAIL SUR LA BASE DE NOS RESULTATS DE MESURE PAR IHTR, ACCOMPAGNES DE CAMPAGNES DE SIMULATIONS NUMERIQUES BIDIMENSIONNELLES. IL S'AGIT D'UN CODE COMBINANT UN ALGORITHME RADIATIF DE TYPE MONTE-CARLO AVEC LA PRISE EN COMPTE DES PROPRIETES D'ABSORPTION D'UN GAZ REEL ET UN MODELE CONVECTIF DE TYPE VOLUME FINI DANS LE CADRE DU FORMALISME D'EVOLUTION PAR TRANSFERT (T.E.F.).
Author: N. D Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 229
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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 (4,0x1010 ≤ RaH ≤ 1,2x1011) 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.
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ON CONSIDERE UN FLUIDE EN CAVITE CARREE DIFFERENTIELLEMENT CHAUFFEE, SOUMIS A L'ACTION DE LA FORCE DE GRAVITE ET D'UNE FORCE DE VOLUME DUE A UN CHAMP VIBRATOIRE. POUR DE TRES GRANDES FREQUENCES DE VIBRATIONS, ON REALISE UNE ETUDE PARAMETRIQUE DE L'ECOULEMENT CONVECTIF, EN UTILISANT LES EQUATIONS MOYENNEES DE LA CONVECTION VIBRATIONNELLE. ON MET EN EVIDENCE L'EFFET DU NOMBRE DE RAYLEIGH VIBRATIONNEL ET DE LA DIRECTION DE L'AXE DES VIBRATIONS SUR LE CONTROLE DE LA CONVECTION NATURELLE. ON DONNE ALORS LE DOMAINE D'APPLICATION PHYSIQUE DE CES RESULTATS. UNE ETUDE COMPARATIVE DE CES RESULTATS, PAR SIMULATION DIRECTE DES EQUATIONS DE BOUSSINESQ PERMET DE DEGAGER UN CRITERE SUR LA FREQUENCE ADIMENSIONNELLE A PARTIR DE LAQUELLE L'EMPLOI DES EQUATIONS MOYENNEES EST JUSTIFIE. CETTE ETUDE EST REALISEE POUR UN NOMBRE DE PRANDTL DE 0,71 ET UN NOMBRE DE RAYLEIGH DE 10#4. ELLE MONTRE LES DIVERS REGIMES POSSIBLES POUR LA CONVECTION EN CAVITE CARREE EN FONCTION DE LA FREQUENCE DES VIBRATIONS. PAR AILLEURS, ON ETUDIE LA STABILITE LINEAIRE DE LA CONVECTION VIBRATIONNELLE, POUR UNE GEOMETRIE CYLINDRIQUE ; LE FLUIDE ETANT SOUMIS A L'ACTION D'UN FLUX DE CHALEUR INTERNE UNIFORMEMENT REPARTI. POUR CETTE ETUDE, ON EMPLOIE LA METHODE MATRICIELLE COUPLEE A LA METHODE DE GALERKIN. UNE COMPARAISON DE L'EMPLOI DE FONCTIONS DE BESSEL ET DE POLYNOMES EST REALISEE POUR LE CAS AXISYMETRIQUE
Author: Olivier Skurtys
Author: Olivier Skurtys
Author: Jacques Salat
Author: Nicolas Rouger![Proceedings of the 5th Joint ASME/JSME Fluids Engineering [Division] Summer Conference--2007: (parts A and B) Symposia PDF](https://books.google.com/books/content/images/frontcover/LiUSAQAAMAAJ?fife=w80-h100)
Author: American Society of Mechanical Engineers. Fluids Engineering Division
Author: SOPHIE.. MERGUI
Author: Abdelmadjid Benkhelifa
Author: Laurent Cadet
Author: YVES.. CLERGENT
Author: N. D
Author: Arnaud Lizée