Contexte du sujet : La climatisation est un poste de dépense énergétique important dans le secteur du bâtiment, qui pourrait être réduit de manière drastique par l'utilisation de systèmes passifs de rafraîchissement. Dans les climats chauds et humides, le rafraîchissement passif des bâtiments est une solution éprouvée, qui s'ordonne autour de quatre principes : minimiser les apports de chaleur interne et externe, apporter de l'inertie au bâtiment, humidifier l'air et assurer une bonne ventilation pour favoriser les échanges convectifs. Objectifs : La description des transferts thermo-convectifs (évaluation des débits massiques, des transferts de chaleur) mis en jeu dans des cavités ouvertes (pièces avec ventilation traversante, cheminées solaires, doubles peaux, espaces sous-toiture) est encore mal connue et constitue un enjeu pour l'amélioration des systèmes passifs. L'étude de ces phénomènes peut être évaluée par la mécanique des fluides numérique. Les objectifs de ce travail de thèse sont : de réaliser des simulations numériques fines du comportement thermo-aéraulique dans des configurations typiques de systèmes passifs en climat tropical humide, afin d'améliorer nos connaissances sur la ventilation naturelle, d'approfondir et d'apporter des éléments de réponses en ce qui concerne le choix des conditions limites numériques à appliquer pour les systèmes ouverts. Modélisation numérique : L'approche numérique adoptée dans ce travail, pour étudier la convection naturelle turbulente, est la simulation des grandes échelles (SGE ou LES en anglais). Cette approche se situe à mi-parcours entre la méthode de calcul direct et la résolution des équations moyennées en temps, de type RANS. L'avantage d'une telle technique est la réduction appréciable du nombre de points de discrétisation nécessaire par rapport à celui exigé par la méthode de calcul direct, tout en conservant l'aspect dynamique des écoulements. Résultats : Les résultats obtenus lors de ce travail concernent l'étude des conditions limites dynamiques à imposer pour des géométries ouvertes avec une SND et l'application de la SGE à différentes configurations de cavités ouvertes en régime turbulent, afin de caractériser les champs de température et de vitesse et d'en déduire les grandeurs intégrales d'intérêt (débit massique, débit enthalpique, renouvellement d'air,... ). Les résultats de ces calculs ont été comparés soit à d'autres résultats numériques dans le cadre de benchmarks nationaux (benchmark numérique AmeTh et ADNBâti) ou à des résultats expérimentaux.

Comment retrouver le confort des forêts primitives, dans un monde tropical orphelin de ses forêts, avec des villes denses et surpeuplées, inconfortables, bruyantes, agressives et polluées. Comment retrouver le plaisir d'être en symbiose avec la géographie tropicale, dans les mondes artificiels que nous construisons et dans lesquels l'architecture est un potentiel poumon d'inventivité pour l'adaptation au changement climatique? Comment imaginer des villes, des lieux, sous des tropiques qui ne soient plus tristes et terriblement inconfortables? Au-delà de la géographie tropicale, qui peut se satisfaire de "l'openfield" monocultural (et culturel) à l'heure de l'effondrement de la biodiversité? L'approche bioclimatique de l'établissement humain, maisons et lieux de travail, immeubles et cabanes, chemins et rues, forêts et lisières, villes et quartiers, territoires... doit nous permettre de retrouver le chemin de l'ombre et de l'air. C'est le mérite du présent ouvrage de remettre au coeur de la réflexion le sujet de la ventilation naturelle de confort passif, outil indispensable si l'on veut vraiment réduite l'empreinte carbone de la construction et de l'aménagement, et offrir à nos générations futures un monde urbain acceptable, voire enchanteur, s'il est encore possible.

L'importance de la ventilation naturelle dans l'habitat en climat tropical humide est mise en évidence à partir de l'analyse d es indices de confort. Une étude expérimentale sur site et en soufflerie a été réalisée . Elle a permis de caractériser les coefficients de vitesse moyenne d'une cellule d'habitation type case créole en GUADELOUPE, spécialement conçue pour ce travail. Plusieurs configurations d'ouvertures et différentes perméabilités amont et aval ont été expérimentée : On met en évidence la répartition spatiale de la vitesse intérieure et son évolution en fonction de la direction du vent incident. On propose un e fonction de corrélation linéaire entre les coefficient. de vitesse moyenne en vraie-grandeur et en soufflerie. La soufflerie apparaît donc comme un outil fiable et intéressant pour la recherche de solutions optimales pour la ventilation des locaux. D'ores et déjà cette étude a permis de dégager d es données quantitatives sur l'orientation et la répartition des ouvertures dans le cas de la case créole, habitat traditionnel à faible coût de la zone caraïbe .

Les méthodes simples d'évaluation des débits de renouvellement d'air dans le bâtiment constituent un outil intéressant mais ne sont pas toujours adaptées au calcul du renouvellement d'air par ventilation naturelle à travers les grandes ouvertures extérieures. L'objectif de notre travail est d'étudier dans quelle mesure les codes de champ peuvent constituer une alternative à l'emploi de ces méthodes ainsi qu'au montage d'expérimentations lourdes. Après avoir mis en évidence la dispersion des résultats fournis par les méthodes simplifiees ou semi-détaillées pour l'évaluation du renouvellement d'air dans un local ventilé par une grande ouverture extérieure en simple exposition, nous examinons les potentialités et les limites des codes de champ. Dans le cas de la convection mixte au sein d'une cavité parallélépipédique chauffée creusée dans le plancher d'une soufflerie, nous étudions la sensibilité des résultats numériques obtenus à l'aide du code CFD Fluent à la finesse du maillage, au choix du modèle de turbulence ainsi qu'aux conditions imposées en soufflage, et nous confrontons ces résultats numériques à des résultats expérimentaux de la littérature. Dans le cas d'une salle de classe ventilée mécaniquement, nous confrontons le champ de vitesse obtenu par simulation numérique à nos mesures expérimentales réalisées in situ. Nous réalisons ensuite la simulation numérique de la ventilation naturelle d'un local, en ventilation traversante et en ventilation simple. Le cas de la ventilation simple fait apparaître des défauts de convergence locale dans l'ouverture, que nous atténuons grâce à une procédure de résolution en 2 étapes successives. Une visualisation de l'écoulement de ventilation simple dans une cavité est réalisée à l'aide d'une expérimentation dans un canal hydraulique, et comparée qualitativement aux résultats numériques. Des corrélations donnant le débit de renouvellement d'air dans le local en fonction de la vitesse du vent et de l'écart de température entre la cavité et l'ambiance extérieure sont établies.