Etude du couplage convection-rayonnement en cavité différentiellement chauffée à haut nombre de Rayleigh en ambiances habitables PDF Download
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Book Description
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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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.
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.
Author: El Hafiane Cherkaoui Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 254
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L'ETUDE DE LA CONVECTION NATURELLE DANS DES ESPACES CONFINES EST UN SUJET QUI CONCERNE DE NOMBREUX DOMAINES, NOTAMMENT LA THERMIQUE DE L'HABITAT. CE MEMOIRE S'INTEGRE DANS UN PROGRAMME DE RECHERCHE EXPERIMENTALE QUI VISE A ETUDIER LES COUPLAGES CONVECTO-RADIATIFS DANS UNE CAVITE A PAROIS ISOTHERMES ET DIFFERENTIELLEMENT CHAUFFEES EN MENANT UNE ANALYSE DE L'INFLUENCE DES CONDITIONS AUX LIMITES THERMIQUES ET RADIATIVES SUR LE TRANSPORT D'ENERGIE. LA METHODE ADOPTEE CONSISTE A MESURER LES CHAMPS THERMIQUE ET DYNAMIQUE DE L'ECOULEMENT PAR EXPLORATION DE COUCHE LIMITE A L'AIDE D'UNE SONDE A FIL THERMOSENSIBLE. LES EXPERIENCES ONT ETE REALISEES DANS UNE CAVITE FERMEE A ECHELLE UNITE DE HAUTEUR 2.5 M SUR UNE BASE DE 3.1.1M#2, CONSTRUITE AU LABORATOIRE D'ETUDES THERMIQUES A POITIERS (CEAT-ENSMA). LE NOMBRE DE RAYLEIGH RELATIF A LA HAUTEUR DE LA CELLULE EST DE L'ORDRE DE 10#1#0. TROIS CONFIGURATIONS RADIATIVES DES PAROIS ONT ETE UTILISEES: CELLES-CI SONT SOIT TOUTES TRES EMISSIVES, SOIT TOUTES TRES REFLECHISSANTES, SOIT MIXTES. LES PROPRIETES RADIATIVES DU GAZ ONT ETE MODIFIEES EN PORTANT L'AIR A L'INTERIEUR DE LA CAVITE A DIFFERENTES HUMIDITES RELATIVES. LES RESULTATS MONTRENT QU'IL N'Y A PAS DE MODIFICATION SENSIBLE DES ECHANGES CONVECTIFS LORSQU'ON CHANGE LES PROPRIETES RADIATIVES DES PAROIS OU DU GAZ. EN REVANCHE ILS CONFIRMENT QUE LA STRATIFICATION DU CUR DE LA CAVITE DEPEND DES PROPRIETES D'ABSORPTION DE L'AIR DANS LE DOMAINE DE L'INFRAROUGE. D'AUTRE PART LES RESULTATS CONFIRMENT QUE POUR UNE CONFIGURATION THERMIQUE DONNEE (UNE FACE VERTICALE CHAUDE, LES CINQ AUTRES ISOTHERMES PLUS FROIDES), L'ECOULEMENT EST LAMINAIRE STABLE MEME POUR DES NOMBRES DE RAYLEIGH SUPERIEURS A 10#1#0. ILS MONTRENT AUSSI, POUR LA MEME CONFIGURATION, UNE BONNE CONCORDANCE AVEC LA THEORIE DE LA PLAQUE PLANE. LES MESURES DE TEMPERATURE ET DE VITESSE ONT ETE AUSSI EXPLOITEES POUR DEVELOPPER UNE METHODE DE BILAN D'ENERGIE VISANT A EVALUER LES FLUX CONVECTIFS. CETTE METHODE PERMET DE COMPARER LES DIFFERENTS MODES DE TRANSFERT THERMIQUE DANS LA COUCHE LIMITE. ELLE CONFIRME QUE LES FLUX RADIATIFS SONT NEGLIGEABLES DEVANT LES TRANSFERTS ENTHALPIQUES QUELLES QUE SOIENT LES PROPRIETES RADIATIVES DES PAROIS OU DU GAZ
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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: 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: Francis Allard Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 336
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ETUDE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE DE LA CONVECTION NATURELLE D'ORIGINE THERMIQUE, AVEC DEVELOPPEMENT D'OUTILS NUMERIQUES POUR RESOUDRE LES EQUATIONS DE LA CONVECTION COUPLEE AUX AUTRES MODES DE TRANSFERT (CONDUCTION, RAYONNEMENT); METHODE SPECTRALE DE TCHEBYCHEFF
Author: Laurent Cadet
Author: Laurent Cadet
Author: N. D
Author: El Hafiane Cherkaoui
Author: YVES.. CLERGENT
Author: Jacques Salat
Author: Francis Allard