La pratique du couplage du rayonnement thermique avec la technique CFD est certainement un des moyens les plus efficaces pour faire face à une prédiction de plus en plus exigeante du confort thermo-aéraulique dans les bâtiments. Cependant une étude bibliographique montre que dans la majorité des codes CFD actuels, le rayonnement thermique est encore soit non traité, soit traité comme en milieu semi-transparent, non approprié pour interpréter les échanges radiatifs inter-surfaces privilégiés au bâtiment. Une nouvelle pratique du couplage du rayonnement thermique en milieu transparent avec la technique CFD sous ESTET a été mise au point dans ce mémoire. Ceci consiste à développer un module compétent du rayonnement thermique représentant correctement les échanges radiatifs aussi bien pour les enceintes convexes que concaves, et également compatible à intégrer dans CFD. Vu diverses incompatibilités et des contraintes relatives à ESTET, le système de radiosités parmi les procédés possibles a été retenu d'après un compromis entre la précision et l'efficacité. Pour paramétrer ce système de radiosités, le traitement des facteurs de forme a directement adapté et exploité les données géométriques destiné au CFD. L'importation des techniques d'infographie est mise en jeu: la méthode de lancer de rayon élimine des obstacles, et la méthode des éléments finis et la technique d'hémisphère prennent le relais et s'appliquent alternativement afin de trouver les facteurs de forme précis en maintenant aussi une rapidité de calcul. L'itération de Gauss-Seidel modifiée avec sur-relaxation permet d'acquérir une solution pertinente du système des radiosités dont les sorties de flux incident radiatif sont importées au code ESTET. Ceci met en évidence l'influence sur le champ de température et aussi l'incidence sur le champ dynamique de vitesse grâce au bilan des flux thermiques de la frontière d'écoulement. La qualité et la fiabilité de ce modèle sont enfin assurées par une qualification adaptée

Dans le domaine de la thermique du bâtiment, la modélisation fait face à un accroissement de la complexité des systèmes. En effet, l'évolution des capacités de résolution des machines accompagne celle des logiciels mis à la disposition des ingénieurs. Les logiciels d'aide à la conception destinés aux bureaux d'études en thermique du bâtiment, couplés à des interfaces de type CAO, vont bientôt permettre le traitement fin d'études importantes. La géométrie complexe des bâtiments fait que, dans un tel contexte de modélisation, l'ensemble des phénomènes de conduction, de rayonnement et de transferts de chaleur liés aux transferts de masse, en régime dynamique, entraîne la résolution de systèmes de très grandes tailles. Ce constat nous a conduit à la proposition de l11...mise en œuvre de techniques de réduction de modèle de connaissance afin de parvenir à un compromis entre la précision des modèles et les capacités des moyens informatiques dont les concepteurs disposent. La caractérisation des mécanismes de couplage des systèmes thermiques est indispensable pour réduire les volumes de calculs. Cette analyse conduit à la décomposition du système bâtiment en composants thermiques élémentaires et rend possible la réduction de modèles locaux. Fondée sur une approche modale, les techniques de réduction, issues du domaine de l'automatique, sont bien adaptées au traitement des modèles de connaissance linéaires associés aux phénomènes de conduction. Ce travail porte donc plus particulièrement sur la réduction des modèles associés à l'enveloppe des bâtiments. Deux stratégies de couplage aux autres modes de transferts de chaleur sont ensuite analysées en fonction du niveau de modélisation envisagé. La stratégie permettant d'intégrer les non linéarités des conditions aux limites des modèles locaux est validée sur la modélisation du comportement énergétique d'une cellule expérimentale à l'échelle 1. Ce travail s'ouvre, en termes de perspectives à l'intégration de modèles simplifiés d'aéraulique (modèles zonaux) dans les codes de calculs généraux du comportement thermo-aéraulique des bâtiments.

Dans une première partie, on fait d'une part l'étude des transferts thermiques mis en jeux, en particulier les phénomènes d'échanges par rayonnement grande et courte longueur d'onde par la méthode des flux nets échangés, et d'autre part la systématique générale du programme permettant d'étudier les couplages thermiques de locaux. Dans la seconde partie on présente d'une part la cellule en site réel ainsi que l'ensemble métrologique et en scénari d'expérimentation utilisés, d'autre part on procède à la valorisation du modèle, élaboré dans la première partie, pour deux locaux dont un en serre. On met ainsi en évidence les couplages thermiques entre ces deux locaux.

APRES UNE ANALYSE DES PRINCIPALES METHODES MISES A LA DISPOSITION DE L'EXPERIMENTATEUR POUR MESURER LES CARACTERISTIQUES THERMOPHYSIQUES DES MATERIAUX SOLIDES, ON MET AU POINT UN APPAREILLAGE PERMETTANT DE MESURER SIMULTANEMENT LA CONDUCTIVITE ET LA DIFFUSIVITE DES MATERIAUX GRANULAIRES. LE DEPOUILLEMENT GRAPHIQUE DU THERMOGRAMME EXPERIMENTAL REPOSE SUR LA DETERMINATION DE QUATRE TEMPERATURES ET DES TEMPS CORRESPONDANTS. ELABORATION D'UN MONTAGE POUR L'ETUDE DE LA DIFFUSIVITE DES MATERIAUX COHERENTS DE CONSTRUCTION. ON APPLIQUE UN RAYONNEMENT THERMIQUE A DENSITE DE FLUX CONSTANTE SUR L'UNE DES FACES DE L'ECHANTILLON. L'ANALYSE MATHEMATIQUE DU MODELE PENDANT ET APRES L'EXCITATION THERMIQUE PERMET LA CONSTITUTION D'ABAQUES

L'OBJET DE CE TRAVAIL DE RECHERCHE CONSISTE A DEVELOPPER UNE METHODE D'ANALYSE ET D'INTERPRETATION PERMETTANT DE PREVOIR, SANS SIMULATION, L'EFFET DU COUPLAGE DE ZONES ET DE COMPOSANTS PASSIFS SUR LE COMPORTEMENT D'UN BATIMENT. CETTE METHODE D'ANALYSE DU COUPLAGE DES ZONES REPOSE SUR LA SYNTHESE MODALE. LA TECHNIQUE DE RACCORDEMENT DES MODELES EST BASEE SUR LE RECOUVREMENT D'UNE PARTIE COMMUNE AUX ZONES COUPLEES. CETTE ANALYSE, A PARTIR DE CAS SIMPLES DE BATIMENTS, A PERMIS D'IDENTIFIER TROIS TYPES DE COUPLAGE DYNAMIQUE: RAPIDE, LENT ET GLISSANT. L'ANALYSE DU COUPLAGE A EGALEMENT RENDU POSSIBLE LA FORMULATION DE REGLES CONCERNANT LA REDUCTION DES MODELES LOCAUX. L'ASSOCIATION DE LA SYNTHESE MODALE ET DE LA REDUCTION DES MODELES DE ZONES CONDUIT A UNE BONNE RECONSTITUTION DU COMPORTEMENT D'UN BATIMENT MULTIZONE. LA VALIDATION DE CETTE APPROCHE A ETE CONCLUE PAR LA SIMULATION DU COMPORTEMENT THERMIQUE DE BATIMENTS BASEE SUR DES MODELES SYNTHETISES REDUITS

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse porte sur l'effet que les bâtiments exercent sur l'atmosphère urbaine et notamment sur les échanges énergétiques qui s'opèrent entre les deux systèmes. Afin de modéliser plus finement les effets thermiques du bâtiment sur les écoulements atmosphériques lors de simulations réalisées par le logiciel de CFD Code_Saturne, nous procédons au couplage de cet outil avec le modèle de bâtiment BuildSysPro. Cette bibliothèque fonctionne sous Dymola et peut calculer des matrices descriptives du bâtiment utilisables ensuite en dehors du logiciel. Ce sont donc ces matrices qui sont utilisées pour le couplage par l'intermédiaire d'un code assurant l'échange de données entre les calculs de thermique du bâtiment et ceux de CFD. Après une revue des phénomènes physiques en lien avec l'atmosphère urbaine et des modèles existants, nous nous intéressons aux interactions entre l'atmosphère et le milieu urbain, notamment les bâtiments. Ceux-ci peuvent avoir un impact sur les écoulements aussi bien dynamique, en tant qu'obstacles, que thermique, via leurs températures de parois. Parallèlement à la mise en place du couplage entre les deux logiciels, nous étudions les données de la campagne de mesures EM2PAU que nous utilisons pour notre validation. EM2PAU, réalisée en 2011 à Nantes, représente une rue canyon idéalisée par deux rangées de conteneurs. La campagne a pour spécificité de prendre simultanément les mesures de températures d'air et de parois ainsi que les vitesses du vent de référence et des écoulements dans le canyon par un anémomètre sonique placé à 10 m d'altitude et six autres positionnés en six emplacements dans le canyon. Nous cherchons donc à mettre en évidence les effets dynamiques et thermiques des bâtiments sur les écoulements à partir des résultats de cette campagne, pour ensuite les simuler. Puis la modélisation numérique des écoulements sur le domaine de EM2PAU est réalisée. L'objectif de ce travail est de mettre en évidence l'influence des effets thermiques des parois sur les flux atmosphériques. Nous comparons des simulations avec différentes méthodes pour donner les valeurs des températures de surface des conteneurs. La première méthode consiste à imposer ces températures d'après les mesures ; ainsi la température de chaque paroi sera fixée à la température de surface mesurée lors de l'instrumentation de EM2PAU. Quant à la deuxième méthode, on impose la température de l'air extérieur mesurée à l'instant simulé à toutes les parois des conteneurs, afin de créer un cas où l'on n'observe que peu ou pas d'échanges de chaleur. Enfin la troisième méthode est la simulation couplée de Code_Saturne et BuildSysPro. Les résultats des différentes simulations sont alors comparés afin de distinguer les effets thermiques des parois des bâtiments sur les écoulements d'air. Nous observons que les effets dynamiques sont primordiaux et peuvent engendrer des vitesses verticales de l'écoulement dans le canyon de l'ordre plusieurs mètres par seconde, tandis que des écarts de températures de surface de l'ordre de 15°C peuvent modifier les vitesses verticales du vent de moins de 0, 5 mètres par seconde. Si ces effets thermiques sont difficiles à isoler sur des mesures en raison des autres phénomènes susceptibles d'influencer les écoulements atmosphériques, les études numériques peuvent toutefois mieux quantifier ces différences.