L'étude réalisée associe une investigation numérique et une étude expérimentale, elle traite du couplage des transferts de chaleur par convection, conduction et rayonnement engendrés par le chauffage d'une paroi verticale placée dans l'air, soumise à des répartitions de puissances dissipées non uniformes. L'étude expérimentale a été faite sur une paroi plane verticale composée de dix éléments fluxmétriques formant une paroi de 1.50 x 0.80 m2 permettant de dissiper des puissances allant de 0 à 700 W / m2 sur chaque élément de la paroi. Plusieurs configurations différenciées par la répatition des puissances dissipées le long de la hauteur de la paroi sont étudiées - chauffage uniforme, intermittent, en escalier montant ou encore en escalier descendant - Pour chaque cas étudié nous avons mesuré la distribution de la température le long de la paroi et les profils de températures et de vitesses dans l'écoulement de convection naturelle engendré par le chauffage de la paroi. Pour la résolution numérique des équations phénoménologiques deux modèles ont été utilisés : l'un traitant de la conduction interne couplée au rayonnement entre la surface solide et le milieu environnant et l'autre simulant l'écoulement de convection naturelle; il utilise la méthode de Patankar-Spalding. Le couplage des deux converge rapidement et fournit des solutions satisfaisantes confirmées par les prévisions théoriques dans les cas simples et validées par les mesures expérimentales dans les autres cas. Une étude numérique paramétique de l'influence de la conductivité et de l'émissivité de la paroi flumétrique a montré la sensivilité de l'ensemble des grandeurs caractérisant les transferts de chaleur vis à vis de ces deux paramètres.

L'essentiel de mon travail de recherche porte sur l'étude des instabilités thermoconvectives en convection mixte. Il comporte aussi bien des aspects expérimentaux que numériques.Dès qu'un fluide est chauffé, en présence ou non d'un écoulement forcé, des instabilités apparaissent en fonction des différents paramètres (thermiques, opératoires, géométrie,..). Pour ce qui est des dispositifs parcourus par un écoulement de convection mixte, la bibliographie est très riche concernant les écoulements de fluides tel que l'air mais reste limitée pour tout ce qui est écoulement d'eau et surtout dans les configurations avec une condition aux limites de flux imposé. Récemment, ces études ont suscité un intérêt pour les applications industrielles telles que la CVD et les échangeurs de chaleur en général et certains phénomènes naturels tels que la météo. Faisant suite à une série d'études d'écoulements de convection mixte, notamment en conduite cylindrique soumise à un flux uniforme à la paroi (coexistence de gradients thermiques horizontal et vertical), rectangulaire avec un gradient thermique horizontal et rectangulaire avec un gradient thermique vertical ; dans ce dernier cas, le rapport d'aspect considéré était égal à 2 ce qui a introduit des effets de bords non négligeables sur le développement des instabilités. L'objectif de mon travail était de comprendre le déclenchement des instabilités dans le cas du gradient thermique vertical sans subir les effets de bords. Ainsi, j'ai étudié l'écoulement de convection mixte dans un canal horizontal, à section rectangulaire, de grand rapport d'aspect transversal (B=10), chauffé uniformément par le bas à flux constant pour les paramètres de fonctionnement suivants : 20 ≤ Re ≤ 200, 0 ≤ Ra ≤ 106, Pr = 7. Les techniques de visualisation que j'ai mises en place m'ont permis de mettre en évidence l'existence de deux mécanismes d'initiation des rouleaux longitudinaux dans ce type de configuration. Pour les faibles valeurs du nombre de Rayleigh, les rouleaux sont initiés le long des parois latérales et se propagent progressivement jusqu'à envahir toute la section droite par un effet de cascade visqueuse. Au-delà d'une valeur critique du nombre de Rayleigh, de nombreuses paires de rouleaux apparaissent simultanément à une même abscisse, dans la zone centrale de la section droite, indépendamment du premier mécanisme grâce à une instabilité du type Rayleigh Bénard. Ces deux mécanismes d'initiation ont été observés expérimentalement et numériquement. La condition de flux imposé à la paroi basse fait que l'établissement thermique n'est jamais atteint ; nous assistons dans ce cas à une évolution longitudinale du régime d'écoulement qui peut s'étaler le long du canal. Ainsi, j'ai mis en évidence quatre zones d'écoulement : une zone I d'entrée ou de formation des rouleaux ; une zone II établie où les rouleaux longitudinaux ont envahi toute la section droite, ces rouleaux sont stationnaires ; une zone III correspondant au régime déstabilisé où les rouleaux adoptent un comportement chaotique et enfin la zone IV qui correspond au régime turbulent, les rouleaux ne sont plus identifiables. J'ai déterminé en fonction des paramètres de contrôle les longueurs caractéristiques pour les différentes zones et proposé des corrélations permettant de les calculer en fonction des nombres de Reynolds et de Rayleigh. Pour l'analyse thermique de ce type d'écoulement, j'ai développé et exploité une technique de fluorescence induite par plan laser (PLIF) pour déterminer le champ thermique dans les différentes sections transversales du canal pour les différentes gammes des paramètres. Cette caractérisation a également été effectuée numériquement. Les champs de température obtenus dans les différentes sections droites fluide ont permis la détermination du transfert de chaleur, notamment le nombre de Nusselt. J'ai déterminé le nombre de Nusselt à la paroi chauffée, moyenné dans la direction transversale Y et représenté sa variation selon la direction longitudinale X pour diverses valeurs du nombre de Rayleigh et de Reynolds. On retrouve la signature des deux mécanismes d'initiation au travers du profil longitudinal du nombre de Nusselt. On peut observer que le transfert convectif est fortement accru en convection mixte par rapport à la convection forcée pure, d'un rapport de 5 à 10 selon les valeurs des nombres de Reynolds et de Rayleigh. L'ensemble des résultats expérimentaux que j'ai obtenus ont permis, en fonction des nombres de Reynolds et de Rayleigh, l'établissement de corrélations du nombre de Nusselt, valables en convection mixte pour ce type d'écoulement. Ces corrélations ont été établies pour le régime d'entrée et le régime établi. La PLIF semble être une technique performante pour la mesure de la température du fluide. L'ensemble de ces résultats ont été rédigés en deux articles et ont été soumis pour publication.

ON ETUDIE THEORIQUEMENT LA CONVECTION MIXTE LAMINAIRE PERMANENTE AUTOUR D'UNE SPHERE TOURNANT AUTOUR DE SON DIAMETRE VERTICAL DANS UN FLUIDE NEWTONIEN AU REPOS ET SOUMISE A UN FLUX DE CHALEUR IMPOSE. LA DISTRIBUTION PARIETALE DE CELUI-CI EST GENERALEMENT NON UNIFORME ET ENGENDRE UN PROBLEME DE TRANSFERT TRIDIMENSIONNEL. DANS UNE PREMIERE PARTIE ON ETUDIE D'ABORD DEUX EXEMPLES DE DISTRIBUTION ABOUTISSANT A UN PROBLEME DE TRANSFERT A SYMETRIE DE REVOLUTION. DANS UNE SECONDE PARTIE ON TRAITE LE PROBLEME PLUS COMPLEXE DE TRANSFERT TRIDIMENSIONNEL GENERE PAR UN CHAMP DE DENSITE DE FLUX THERMIQUE PERPENDICULAIRE A L'AXE DE ROTATION. LES EQUATIONS ADIMENSIONNELLES DU PROBLEME SONT DISCRETISEES SELON UN SCHEMA NUMERIQUE AUX DIFFERENCES FINIES DE TYPE IMPLICITE. LA METHODE DE RESOLUTION REPOSE SUR LA TECHNIQUE ITERATIVE DE CEBECI-KELLER DONT LE PRINCIPE ET LA MISE EN UVRE SONT EXPOSES EN DETAIL DANS LA PREMIERE PARTIE DU MEMOIRE. LES RESULTATS SONT PRESENTES SOUS FORME GRAPHIQUE, EN PARTICULIER LES PROFILS D'EVOLUTION DE LA TEMPERATURE, DU NOMBRE DE NUSSELT ET DU FROTTEMENT PARIETAL EN FONCTION DU NOMBRE DE REYNOLDS, DU NOMBRE DE GRASHOF ET DES COORDONNEES SPATIALES REDUITES. IL APPARAIT NETTEMENT QUE LA SUPERPOSITION DES DEUX TYPES DE CONVECTION AUGMENTE D'UNE MANIERE SUBSTANTIELLE LE TRANSFERT THERMIQUE SUR LA SPHERE

La consommation énergétique d'un bâtiment a été jusqu'ici estimée en négligeant les échanges de chaleur qui peuvent intervenir lorsque l'air s'infiltre à travaers son enveloppe. Or, des études récentes ([Bhattacharyya, 1995], [Buchanan, 2000] et [Janssens, 1988]) ont montré que ces fuites d'air jouent un rôle significatif, non seulement sur les performances thermiques des parois et sur la consommation énergétique, mais aussi en terme de pathologies des constructions (condensations internes et superficielles), ou encore en terme de confort et de santé des occupants. Notre étude vise à évaluer, à l'aide d'une approche numérique, l'effet des transferts d'air parasite dans les parois sur leur performance thermique et à quantifier la part réelle des déperditions de chaleur liées aux fuites d'air. Dans la première partie de notre étude, nous passons en revue les causes des fuites d'air et leurs techniques de mesure puis nous exposons les travaux traitant le problème du passage des fuites dans l'enveloppe et montrons leurs limites. Dans le deuxième chapitre, nous présentons des simulations numériques basées sur les codes de champs ou codes CFD permettant d'étudier le transfert couplé d'air et de chaleur au sein d'une paroi multicouche comportant un isolant thermique poreux. L'interaction air/paroi se traduit par un changement du flux de conduction (ou bien du coefficient U de la paroi). Le troisième chapitre est consacré à l'élaboration d'un modèle de calcul se basant sur l'hypothèse que la paroi traversée par l'air peut être assimilée à un échangeur de chaleur. L'air traversant un canal noyé dans la paroi cède ou récupère de la chaleur au contact de la paroi. Les résultats issus des simulations CFD concordent avec ceux issus du modèle pour les deux types de fuites, c'est à dire l'infiltration et l'exfiltration. En complément du développement des simulations CFD et du modèle de calcul, nous analysons deux cas d'études représentant deux catégories de bâtiments : une maison individuelle et un bâtiment tertiaire (bâtiment d'un lycée). Cette étude a pour objectif d'apporter une vue concrète et plus globale sur les conséquences des fuites sur le bilan énergétique. Ces calculs ont montré qu'une part importante des déperditions par transmission, caractérisées par le coefficient Ubât, peut être directement imputée aux fuites d'air : jusqu'à 8% pour la maison et 12% pour le bâtiment Internat. Cette étude a également montré que les différentes parties de l'enveloppe se trouvent affectées de façon inégale par les fuites d'air (certaines parties sont affectées par l'infiltration, d'autre par l'exfiltration). Nous en déduisons des recommandations de réhabilitation ou de colmatage de certaines parties de l'enveloppe permettant de limiter l'effet des fuites. Par exemple, nous recommandons d'apporter un soin particulier aux étages supérieurs qui sont soumis à des fuites plus importantes, donc plus pénalisantes que celles affectant les étages inférieurs.

Les transferts de chaleur par convection naturelle, rayonnement et conduction à travers les parois métalliques simples et doubles fortement chauffées se rencontrent fréquemment dans les dispositifs de chauffage ou de récupération de chaleur domestiques et industriels, mais n'ont jamais fait l'objet de recherches spécifiques. Une étude théorique approfondie de ces couplages est présentée à partir d'une recherche bibliographique très large, en particulier sur la transition turbulente. Un dispositif expérimental permet d'appliquer un flux de chaleur uniforme élevé régulé sur une face d'une double paroi en acier noir épais de largeur réglable. Les équations elliptiques de transfert radiatif et de transport conducto-convectives turbulentes sont résolues au moyen du code fluent. Le fonctionnement de la double paroi est mis en évidence, et une nouvelle corrélation globale du flux de chaleur interne d'une double paroi rayonnante est établie, ainsi qu'un critère d'optimisation. Une méthode thermoanémométrique corrélative et spectrale est développée au moyen d'une sonde unique en quartz à double microthermocouple. Les champs moyens et fluctuants de température et de vitesse, les densités de flux convectifs et radiatifs, ainsi que la structure turbulente des couches limites thermiques sont ainsi déterminés expérimentalement, particulièrement en régime de transition. La méthode thermoanémométrique et le bilan thermique complet sont valides sur une plaque plane verticale conductrice et rayonnante. Il apparaît que le nombre de Grashof critique diminue fortement lorsque la densité du flux augmente, même si le rayonnement domine.

METHODE SIMPLE PERMETTANT D'ASSOCIER A UNE PAROI HETEROGENE UNE PAROI HOMOGENE QUI AURAIT DES REPONSES EN FLUX ANALOGUES. LE COMPORTEMENT THERMIQUE D'UNE PAROI DE BATIMENT EN REGIME VARIABLE EST CARACTERISE PAR SES "FACTEURS DE REPONSE". CES GRANDEURS REPRESENTENT LA REPONSE DE LA PAROI A UN SIGNAL DE TEMPERATURE ELEMENTAIRE. LE SIGNAL RETENU DANS L'ETUDE EST DE LA FORME "RAMPE+PALIER". NOUVELLE METHODE DE CALCUL DES FACTEURS DE REPONSE DE PAROIS MULTICOUCHES S'APPUYANT SUR LA CONNAISSANCE DES REPONSES EN FLUX RELATIVES A CHACUNES DES COUCHES. DESCRIPTION D'UNE METHODE DE DETERMINATION DE LA REPONSE D'UNE PAROI SOLLICITEE EN SURFACE LORSQUE LA REPONSE DE LA PAROI SOUMISE A UN SIGNAL APPLIQUE SUR L'AMBIANCE EST CONNUE. MONTAGE EXPERIMENTAL POUR DETERMINER LES FACTEURS DE REPONSE DES PAROIS HETEROGENES. ETUDE DE DEUX PAROIS: UN MUR EN BETON DE 10 CM D'EPAISSEUR ET UN MUR EN BLOCS CREUX

On présente les résultats d’une simulation numérique de la convection mixte conjuguée transitoire dans un tube vertical soumis à un flux DED chaleur constant et uniforme. Le fluide pénètre au haut du tube pour se diriger vers le bas ; par conséquent on est en présence d’un écoulement de convection mixte contrariée. Les équations de conservation dans le fluide et dans la paroi sont résolues numériquement en utilisant la méthode des volumes finis. Le couplage pression-vitesse est assuré en utilisant l’algorithme simple. On étudie l’influence des propriétés physiques et géométriques sur l’évolution transitoire des grandeurs thermiques (flux de chaleur à l’interface paroi-fluide et distribution radiale de température) et sur les grandeurs dynamiques (coefficient de frottement et champs vecteurs vitesses).