Ce travail s’inscrit dans le contexte expérimental et numérique de l’étude des échanges superficiels couplés à la surface d’une paroi plane. Nous nous intéressons ici plus particulièrement au cas où la surface plane est une des faces d’une lame d’air ventilée et différentiellement chauffée, l’objectif étant de mesurer et séparer les influences respectives des transferts convectifs et radiatifs. La solution expérimentale proposée pour traiter ce problème repose sur l’utilisation d’une instrumentation fluxmétrique élaborée dans notre laboratoire, il y a plusieurs années. Notre objectif est d’étendre le domaine d’application de ces capteurs. Après avoir rapidement présenté différentes méthodes expérimentales existantes avec leurs avantages et inconvénients, l’instrumentation utilisée dans notre travail est décrite en détails ainsi que le contexte expérimental qui est le support de nos études. Il s’agit ici du cas d’un écoulement d’air, pleinement développé, dans un canal horizontal de section rectangulaire. Les travaux portent sur les échanges à la surface d’une plaque plane horizontale et isotherme. Différentes situations sont étudiées afin de mettre en évidence la possibilité de séparer les composantes radiatives et convectives du flux et de montrer comment des mesures locales permettent d’obtenir une cartographie des échanges, ceci même en présence d’obstacles perturbateurs de l’écoulement. Un outil de simulation numérique (FLUENT) est utilisé pour mettre en place une double démarche d’expérimentation et de modélisation. Ces deux approches, en parallèle, permettent de conforter les résultats expérimentaux dans les cas où la modélisation est relativement « simple » à mettre en oeuvre. Il est également possible d’obtenir expérimentalement des renseignements très utiles à l’élaboration de simulations numériques dans des cas plus complexes. Dans les différentes configurations présentées, les résultats expérimentaux sont le plus souvent en excellent accord avec ceux des simulations numériques ou ceux qui sont disponibles dans la littérature. La dernière partie du mémoire est une présentation d’études menées dans le cadre d’un Benchmark inter-laboratoires sur le problème de la convection naturelle dans un canal vertical différentiellement chauffé. Les outils et hypothèses de simulations numériques ainsi que leurs résultats sont présentés et commentés. Les premières expérimentations sont décrites et semblent dans le contexte particulier de la convection naturelle fournir des données intéressantes pour de futures explorations.

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.

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.

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.

La synthèse bibliographique porte principalement sur une configuration fortement documentée : l'écoulement entre plaques planes présentant un élargissement brusque sur une face. Une méthode expérimentale permettant de déterminer le coefficient d'échange local par convection à la surface d'une paroi thermiquement épaisse est ensuite présentée. Les conditions expérimentales de température sont appliquées comme conditions aux limites à un modèle numérique de la paroi. La résolution de l'équation de la chaleur dans ce modèle permet d'obtenir la densité locale de flux de chaleur échangée à la surface soumise à l'écoulement. En pratique, la distribution de température de surface est obtenue par thermographie infrarouge en utilisant une méthode de soustraction d'images thermiques. Cette méthode est validée dans le cas de l'écoulement entre plaques planes présentant un élargissement brusque sur une face. Des résultats complémentaires permettent de mieux comprendre l'influence des caractéristiques de l'écoulement en amont de l'élargissement sur le transfert de chaleur convectif en aval. En dernier lieu, cette méthode a été appliquée au cas de l'écoulement dans une jonction en t avec séparation des courants, en s'intéressant au transfert de chaleur dans la branche latérale. La comparaison des cartes du coefficient d'échange par convection aux champs moyens des vitesses obtenus par P.I.V. a permis d'associer les différentes zones du transfert de chaleur à celles de l'écoulement. Les influences respectives du rapport des débits et de la vitesse dans la branche latérale sont détaillées.

ETUDE EXPERIMENTALE ET MODELISATION DES TRANSFERTS CONVECTIFS DANS DES CAS DE REPARTITIONS DE TEMPERATURE TYPIQUES REPRESENTANT DE FORTES VARIATIONS LOCALISEES

NOUS AVONS TRAVAILLE DANS LE CADRE D'UN CONTRAT CIFRE ENTRE LES ETABLISSEMENTS GELIS-POUDENX-SANS ET NOTRE LABORATOIRE. NOTRE OBJECTIF ETAIT LA MISE AU POINT D'UN MODELE SIMPLE ANALYTIQUE DE DETERMINATION DU COMPORTEMENT THERMIQUE DE BRIQUES A ALVEOLES VERTICALES. DANS UN PREMIER CHAPITRE NOUS PRESENTONS UNE DESCRIPTION DU CONTEXTE GENERAL DE NOTRE TRAVAIL SUIVIE D'UNE ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE CONSACREE A LA CONVECTION NATURELLE DANS DES CAVITES VERTICALES. LE DEUXIEME CHAPITRE DE CE MEMOIRE DECRIT L'ENSEMBLE DES EXPERIMENTATIONS REALISEES SUR DES ALVEOLES VERTICALES DE RAPPORT D'ALLONGEMENT A=4.5 ET A=40: NOUS AVONS SCRUTE LE CHAMP DES TEMPERATURES A L'AIDE DE THERMOCOUPLES POUR DES NOMBRES DE RAYLEIGH CALCULES SUIVANT L'EPAISSEUR DE LA LAME D'AIR, COMPRIS ENTRE 7 10#4 ET 5 10#5 OU VARIANT DE 7 10#6 A 3.1 10#1#0 S'ILS SONT DETERMINES A PARTIR DE LA HAUTEUR DES ALVEOLES. NOUS AVONS AINSI PU METTRE EN EVIDENCE L'ASPECT BIDIMENSIONNEL DU TRANSFERT CONVECTIF, DANS NOTRE CAS DE FIGURE. LE DERNIER CHAPITRE CONCERNE LA MODELISATION DES ECHANGES THERMIQUES. L'UTILISATION DU CODE DE CALCUL ESTET DE RESOLUTION NUMERIQUE DES EQUATIONS TRIDIMENSIONNELLES DE LA MECANIQUE DES FLUIDES NOUS A PERMIS DE MODELISER LES CHAMPS THERMIQUES ET DYNAMIQUES DANS LES CAVITES. NOUS AVONS DE PLUS ADAPTE LA METHODE DE KARMAN-POLHAUSEN A NOTRE CONTEXTE DANS LE BUT DE CONNAITRE DE MANIERE ANALYTIQUE LES TRANSFERTS CONVECTIFS. LA DETERMINATION DES RESISTANCES THERMIQUES DES ALVEOLES DE TERRE CUITE EST OBTENUE UNE FOIS QUE LES ECHANGES PAR RAYONNEMENT DANS LES CAVITES ET PAR CONDUCTION DANS LE MATERIAU SONT PRIS EN COMPTE ; NOUS UTILISONS POUR CELA LA METHODE DES RADIOSITES POUR LES PREMIERS ET CELLE DE LA CONDUCTION DE FOURIER POUR LES DERNIERS. NOUS NOUS SOMMES ATTACHES A ETENDRE LES RESULTATS CONCERNANT LES CAVITES ELEMENTAIRES AU CAS DES BRIQUES A ALVEOLES VERTICALES ALIGNEES OU QUINCONCEES DE HAUTEUR 25CM OU 220CM. NOS CALCULS ONT ETE COMPARES A D'AUTRES RESULTATS ISSUS SOIT DE LA MESURE SOIT DU MODELE DE CALCUL DONT DISPOSE LE C.T.T.B. NOUS DISPOSONS DONC MAINTENANT D'UN MODELE ANALYTIQUE SIMPLE QUI NOUS PERMET DE CALCULER LA RESISTANCE THERMIQUE DE PRODUITS DE TERRE CUITE ALVEOLES VERTICALEMENT