LES TRANSFERTS THERMO-CONVECTIFS ASSOCIES A LA CLIMATISATION D'UN LOCAL DE GRAND VOLUME SONT ETUDIES NUMERIQUEMENT. LE MODELE DE TURBULENCE - A BAS NOMBRE DE REYNOLDS DE LAUNDER ET SHARMA A ETE INTEGRE DANS LE CODE DE CALCUL PHOENICS. UNE ETUDE PHENOMENOLOGIQUE DE L'INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES CARACTERISTIQUES DE LA VENTILATION D'UN LOCAL SIMPLE DE GRAND VOLUME EN CONDITIONNEMENT D'AIR CHAUFFE OU REFROIDI A ETE MENEE. L'ETUDE DES PRINCIPAUX ECOULEMENTS QUI INTERAGISSENT DANS UN LOCAL DE GRAND VOLUME A ETE DECOUPLEE POUR EVALUER LES PERFORMANCES DU MODELE DE TURBULENCE A FAIBLE NOMBRE DE REYNOLDS: D'UNE PART, DIFFERENTS ECOULEMENTS DE CONVECTION MIXTE DE JET ET, D'AUTRE PART, UNE CONFIGURATION DE CONVECTION NATURELLE REPRESENTEE PAR UNE CAVITE DIFFERENTIELLEMENT CHAUFFEE. DANS LE CAS DE LA CAVITE DIFFERENTIELLEMENT CHAUFFEE DE RAPPORT DE FORME UNITE ET UN NOMBRE DE RAYLEIGH DE 10#1#0, LA COMPARAISON DES DIFFERENTS MODELES DE TURBULENCE - MONTRE UN ACCORD GLOBALEMENT SATISFAISANT. LA VERSION A BAS NOMBRE DE REYNOLDS AMELIORE LES RESULTATS LORSQUE LA SIMULATION DIRECTE DE LA TURBULENCE EST PRISE POUR REFERENCE. L'ETUDE DES JETS MONTRE LE BON COMPORTEMENT DES MODELES DE TYPE - POUR LES ECOULEMENTS DE JETS ISOTHERMES ET LES PANACHES EN AMBIANCE NEUTRE. DANS LE CAS DES JETS SOUFFLES VERTICALEMENT DANS UNE AMBIANCE STABLE LINEAIREMENT STRATIFIEE, UN BON ACCORD EST TROUVE AVEC DES RESULTATS EXPERIMENTAUX SUR LA HAUTEUR DE CULMINATION DANS LA GAMME DE GRAND NOMBRE DE FROUDE ET FORTE STRATIFICATION. L'APPLICATION DU MODELE DE TURBULENCE A LA CLIMATISATION DES LOCAUX DE GRAND VOLUME DONNE DES STRUCTURES D'ECOULEMENT TRES DIFFERENTES SELON LES VALEURS DES PARAMETRES CARACTERISTIQUES TELS QUE LE DEBIT DE SOUFFLAGE, L'ANGLE SOLIDE D'INJECTION DE L'AIR, LE POSITIONNEMENT ET L'ESPACEMENT D'UNE DISTRIBUTION REGULIERE DES AEROTHERMES AINSI QUE LA TEMPERATURE DE L'AIR VENTILE

Une étude numérique concernant les écoulements de convention naturelle turbulente en cavité a été menée en appliquant et en adaptant la technique de simulation des grandes échelles, jusqu'à présent principalement employée en convection forcée. Les grandes échelles de l'écoulement sont résolues à partir des équations de conservation exprimées suivant la méthode des volumes de contrôle sur un maillage cartésien. L’effet des petites échelles est pris en compte par l'introduction de modèles de sous-maille. Tout d'abord, nous avons comparé nos résultats à des simulations de référence dans le cas de la cavité différentiellement chauffée. Des simulations directes nous ont ainsi permis de valider le code de calcul par comparaison avec des résultats spectraux du LIMSI (Orsay) pour un nombre de Rayleigh de 10 1 0. L’étude a été ensuite étendue à un nombre de Rayleigh de 5.10 1 0, pour une configuration qui a fait l'objet en 1992 d'un exercice international de comparaison à l'aide de codes RANS. L’influence des paramètres de calcul (nombre et répartition des nuds de discretisation, coefficient du modèle de sous-maille, nombre de Prandtl de sous-maille) sur les résultats a été testé dans ces deux configurations. Malgré une bonne concordance avec les résultats DNS, les zones de recirculation de l'écoulement étaient cependant mal représentées. Afin d'améliorer le comportement de la solution, un modèle original de diffusivité de sous-maille a été développé. Ce modèle local en espace est decorrelé de la viscosité de sous-maille, contrairement à l'analogie de Reynolds utilisée initialement, et permet d'améliorer de manière notable la description dynamique et thermique de l'écoulement. Nous nous sommes ensuite intéressés à l'influence relative de la viscosité et de la diffusivité de sous-maille, ainsi qu'à la contribution apportée par la diffusion numérique du schéma de discrétisation. Enfin, le modèle de sous-maille proposé a été appliqué à la convection de Rayleigh-Benard entre plaques.

L'objectif de c e mémoire est d'apporter une contribution à la modélisation et la simulation numérique de la convection thermosolutale de mélanges binaires de gaz parfaits contenus dans des cavités. Un modèle a été élaboré en se basant sur l'approximation de faible compressibilité. Le premier chapitre précise la démarche suivie dans la modélisation et une formulation originale en est déduite afin de traiter les différents types de conditions aux limites et de conditions de références hydrostatiques analysés dans le mémoire. Les variations de masse volumique sont déduites de la loi des gaz parfaits et la pression thermodynamique est calculée à partir de la conservation de la masse totale. La méthode numérique repose sur la méthode des volumes finis mise en uvre sur des maillages décalés. Le couplage vitesse-pression est traité par un nouvel algorithme dont l'efficacité est discutée en détail. La démarche numérique est validée via des comparaisons avec des solutions de références, en régime stationnaire comme en régime transitoire pour des écoulements transitionnels. Dans la seconde partie du mémoire, on considère d'abord la convection thermosolutale dans une cavité rectangulaire verticale dans le cas où les écoulements sont induits par des gradients horizontaux de température et de concentration. On discute en particulier les limites de l'approximation d'extrême dilution. La condensation de vapeur d'eau et l'évaporation d'un film d'eau liquide sur les parois d'une cavité sont ensuite étudiées en régime transitoire. Ces changements de phase surfaciques sont associés à la convection naturelle dans une cavité dont les températures des quatre parois varient au cours du temps.

CE TRAVAIL CONCERNE L'ETUDE EXPERIMENTALE DES ECOULEMENTS D'AIR RENCONTRES DANS UNE CAVITE CUBIQUE, D'ENVIRON 1 M#3 DE VOLUME. LA PREMIERE PARTIE DE CE MEMOIRE EST CONSACREE A L'EXAMEN DETAILLE DE LA CONVECTION NATURELLE EN CAVITE FERMEE. DEUX PAROIS VERTICALES OPPOSEES SONT DIFFERENTIELLEMENT CHAUFFEES A TEMPERATURE CONSTANTE. LES PAROIS HORIZONTALES SONT ISOLEES THERMIQUEMENT. LES AUTRES PAROIS VERTICALES SONT CONSIDEREES COMME ADIABATIQUES. DEUX VALEURS DU NOMBRE DE RAYLEIGH CARACTERISTIQUE, SUPERIEURES A 10#9, ONT ETE ENVISAGEES. DES VISUALISATIONS, DES MESURES DE VITESSE ET DE TEMPERATURE ONT ETE ENTREPRISES, AFIN DE CARACTERISER PRECISEMENT LES CHAMPS DYNAMIQUE ET THERMIQUE DANS L'ENSEMBLE DE LA CAVITE. NOUS AVONS AINSI PU METTRE EN EVIDENCE L'EJECTION DE STRUCTURES A CARACTERE TURBULENT PAR LES COUCHES LIMITES EN DEVELOPPEMENT LE LONG DES PAROIS VERTICALES ACTIVES, L'EXISTENCE D'UNE COUCHE LIMITE CHAUDE PLUS PERTURBEE QUE LA COUCHE LIMITE FROIDE, L'EXCITATION PERMANENTE D'ONDES DE GRAVITE DANS LA PARTIE CENTRALE DE LA CAVITE THERMIQUEMENT STRATIFIEE. NOUS NOUS SOMMES ASTREINTS A DETERMINER LES CONDITIONS THERMIQUES EFFECTIVES REGNANT SUR LES PAROIS HORIZONTALES, CE QUI NOUS A PERMIS D'ETABLIR DES LOIS ANALYTIQUES SIMPLES DE REPARTITION EN TEMPERATURE QUI POURRONT SERVIR DE REFERENCE DE CONDITIONS AUX LIMITES REALISTES A INTEGRER DANS LES CODES DE CALCUL. LA SECONDE PARTIE EST CONSACREE A L'ETUDE DES ECOULEMENTS DE CONVECTION MIXTE GENERES PAR L'INTRODUCTION, DANS LA CAVITE, D'UN OU DEUX JETS, PESANTS OU NON, EN PRESENCE OU NON DE SOURCES DE CHALEUR PARIETALES. DES VISUALISATIONS, DES MESURES DE VITESSE ET DE TEMPERATURE ONT PERMIS, POUR PLUSIEURS CONFIGURATIONS, DE CARACTERISER LES STRUCTURES D'ECOULEMENTS SUSCEPTIBLES D'ETRE RENCONTREES ET DE DEGAGER DES TENDANCES GENERALES SUR LE COMPORTEMENT DES ECOULEMENTS. CETTE ETUDE A EGALEMENT ETE MENEE DANS LE BUT D'ETABLIR UNE BASE DE DONNEES EXPERIMENTALES POUVANT SERVIR A VALIDER LES MODELES NUMERIQUES APPLIQUES AUX ECOULEMENTS D'AIR DANS DES GRANDS VOLUMES DE TYPE PIECE D'HABITATION

L'ETUDE NUMERIQUE QUE NOUS PRESENTONS ICI APPORTE UN COMPLEMENT A L'ANALYSE DES ECOULEMENTS DE CONVECTION DANS UNE PIECE D'HABITATION, ET PLUS PARTICULIEREMENT AU TRANSPORT TURBULENT DE QUANTITES SCALAIRES TELLES QUE LA TEMPERATURE OU LA CONCENTRATION EN UN ELEMENT POLLUANT. DANS UN PREMIER CHAPITRE, APRES AVOIR RAPPELE LES PRINCIPES MENANT A L'ETABLISSEMENT DES EQUATIONS DE PREDICTION DE LA CONVECTION THERMOSOLUTALE EN REGIME LAMINAIRE, NOUS DECRIVONS LE MODELE NUMERIQUE BASE SUR LA METHODE DES VOLUMES FINIS PERMETTANT DE LES RESOUDRE. NOUS METTONS ENSUITE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DU TERME DE POUSSEE SOLUTALE ET DU RAPPORT DES COEFFICIENTS DE DIFFUSION THERMIQUE ET SOLUTALE SUR L'ECOULEMENT S'ETABLISSANT DANS UNE CAVITE CARREE SOUMISE A DES GRADIENTS HORIZONTAUX DE TEMPERATURE ET DE CONCENTRATION EN ESPECE POLLUANTE. NOUS DEVELOPPONS DANS UN DEUXIEME CHAPITRE UN MODELE DE TURBULENCE ADAPTE A L'ANALYSE DES ECOULEMENTS FAIBLEMENT TURBULENTS EN CAVITE. APRES UNE EVALUATION DE NOTRE CODE REALISEE DANS LE CADRE DU PROJET EUROPEEN EUROTHERME-ERCOFTAC, NOUS COMPARONS LE COMPORTEMENT DE TROIS MODELES DE TURBULENCE DE TYPE K- NE COMPRENANT PAS DE LOIS DE PAROI, POUR LA CONFIGURATION DE LA CAVITE THERMIQUEMENT ENTRAINEE. LE CHOIX D'UN DE CES TROIS MODELES NOUS PERMET ENSUITE DE TRAITER DES ECOULEMENTS DE CONVECTION MIXTE DANS DES CAVITES DE LA TAILLE DES CELLULES D'HABITATION SOUMISES A DES GRADIENTS DE TEMPERATURE ET DE CONCENTRATION EN ESPECE POLLUANTE (BENZENE OU METHANOL EMIS PAR UNE PEINTURE OU UN TAPIS DANS UN BUREAU NEUF)

La Simulation des Grandes Structures (SGS) a été étudiée lors de cette thèse. L’objectif de ce travail numérique consistait à tester la capacité de quelques modèles de sous-maille et plus particulièrement ceux associés aux approches dynamiques souvent utilisées dans la littérature, à reproduire, d'abord les écoulements de convection naturelle en espaces confinés, avant de passer à des situations plus réalistes faisant appel à des écoulements de type jet en convection forcée ou mixte dans des espaces ventilés, susceptibles d’être rencontrés dans le domaine de l’habitat. En convection naturelle dans une cavité fermée anisotherme, la SGS a permis de reproduire correctement les résultats numériques de référence d’une Simulation Numérique Directe 2D et les comparaisons ont été encore plus proches en 3D. En convection forcée dans une cavité ventilée isotherme équipée d’un soufflage et extraction d’écoulement, la SGS 3D a permis de bien reproduire les résultats expérimentaux de l’Annexe20 de l’Agence Internationale de l’Energie. Les résultats ont été encore améliorés par l’introduction d’une perturbation du jet au soufflage pour modéliser l’intensité turbulente mesurée expérimentalement. En convection mixte dans une cavité ventilée anisotherme équipée d’un soufflage et extraction d’écoulement, avec un plancher chauffé, la SGS 3D montre un très bon accord avec une expérience réalisée au Laboratoire d'Etudes thermiques à Poitiers et reproduit également le comportement singulier de l’écoulement (bifurcation et changement de direction avec phénomène d’hystérésis) détecté expérimentalement. À notre connaissance, aucune étude numérique n’a permis jusqu’à présent une telle comparaison.