SIMULATION DES ECOULEMENTS DE CONVECTION NATURELLE LAMINAIRE D'UN FLUIDE INCOMPRESSIBLE CONFINE DANS UNE CAVITE PARALLELEPIPEDIQUE. LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES SONT ECRITES EN FORMULATION VECTEURS POTENTIEL-ROTATIONNEL

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'OBJET DE LA PRESENTE ETUDE EST DE PROPOSER UNE NOUVELLE METHODE DE SIMULATION NUMERIQUE DES ECOULEMENTS DE CONVECTION NATURELLE DANS LES THERMOSIPHONS. LA MOTIVATION DE CE TRAVAIL EST L'UTILISATION DE CETTE METHODE PASSIVE DE REFROIDISSEMENT A L'HABITAT. DANS CETTE OPTIQUE, NOUS AVONS OPTE POUR UNE METHODE MIXTE DE DISCRETISATION SPATIALE: COLLOCATION TCHEBYCHEV ASSOCIEE AUX METHODES HERMITIENNES D'ORDRE 4. LE PROBLEME DE LA CAVITE CARREE DIFFERENTIELLEMENT CHAUFFEE A SERVI DE TEST DE FIABILITE DE L'ALGORITHME SEMI-IMPLICITE QUE NOUS AVONS DEVELOPPE POUR RESOUDRE LES EQUATIONS DE BOUSSINESQ-OBERBECK EN VARIABLE PRIMITIVE. L'ALGORITHME DE PERMEABILITE FICTIVE EST UTILISE AFIN D'ASSURER L'INCOMPRESSIBILITE. UNE SECONDE ETAPE DE VALIDATION EST MENEE POUR LE CANAL CHAUFFE SYMETRIQUEMENT A FLUX FIXES EN RECHERCHANT SIMULTANEMENT LES MEILLEURES CONDITIONS AUX LIMITES AUX OUVERTURES DU CANAL. L'ETUDE COMPLETE DES CINQ SITUATIONS EXTREMES DE CHAUFFAGE DES PLAQUES A ALORS ETE ENTREPRISE. A L'ISSUE DE CELLE-CI, NOUS PROPOSONS UNE NOUVELLE DESCRIPTION DE L'EFFET CHEMINEE. LE RENVERSEMENT DE L'ECOULEMENT ASCENDANT EST ETUDIE EN PRECISANT SON SEUIL D'APPARITION, CELUI-CI CORRESPOND A UNE BIFURCATION SUPERCRITIQUE. DE PLUS, DANS CE CONTEXTE, DES PHENOMENES INSTATIONNAIRES ONT ETE OBSERVES. CES DERNIERS SONT LIES A UNE COMPETITION ENTRE LE DEVELOPPEMENT DE LA COUCHE LIMITE ET CELUI DE LA LARGEUR DE LA ZONE DE RENVERSEMENT. CETTE COMPETITION EST CARACTERISEE PAR UNE EJECTION PERIODIQUE DE LA ZONE DE RECIRCULATION

LE TRAVAIL PORTE SUR LA SIMULATION DIRECTE DES ECOULEMENTS DE CONVECTION NATURELLE ENTRE DEUX PLAQUES VERTICALES CHAUFFEES DIFFERENTIELLEMENT, AINSI QUE SUR L'UTILISATION ET L'AMELIORATION DE MODELES DE FERMETURE AU SECOND ORDRE. UN CODE TRIDIMENSIONNEL DE SIMULATION DIRECTE A ETE DEVELOPPE DANS LE BUT D'OBTENIR ET DE COMPRENDRE LA TURBULENCE DE LA CONVECTION NATURELLE. CE CODE A ETE VALIDE DANS PLUSIEURS CONFIGURATIONS PHYSIQUES: ECOULEMENTS DE CONVECTION NATURELLE SANS LA STRATIFICATION SOLUTION DE CONDUCTION, ECOULEMENTS CONVECTION NATURELLE EN PRESENCE DE LA STRATIFICATION SOLUTION DE DOUBLE COUCHE LIMITE ET L'ECOULEMENT DE POISEUILLE DANS UN REGIME TRANSITOIRE ET TURBULENT. APRES S'ETRE ASSURER QUE LE CODE DEVELOPPE EST APTE A SIMULER PRECISEMENT DES ECOULEMENTS TURBULENTS, NOUS AVONS ATTEINT LE REGIME TURBULENT AVEC LA SOLUTION DE CONDUCTION A DES NOMBRES DE RAYLEIGH DE 1 10#5 ET 5.4 10#5. UNE ANALYSE DETAILLEE DE CES RESULTATS A REVELE LES PRINCIPAUX DEFAUTS ET QUALITES DES MODELES DE TURBULENCE. CES RESULTATS ONT ETE L'OBJET DE L'AMELIORATION DES MODELES DE TRANSPORT PAR LES CORRELATIONS TRIPLES AINSI QUE LE CHOIX DES ECHELLES DE TEMPS TURBULENTES ADEQUATES POUR LA MODELISATION DES ECOULEMENTS DE CE TYPE

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.

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

L' tude des coulements de convection naturelle dans les enceintes ferm es a un grand int r t dans des nombreuses application scientifiques et industriels, tant sur le plan num rique qu'exp rimental. Les tudes num riques ant rieures ont t conduites en utilisant une configuration bidimensionnelle cause du cout lev des simulations num riques tridimensionnelles. Les m thodes de calcul num rique ont t d velopp es ce qui permet d'affiner davantage les r sultats relatifs aux ph nom nes de la convection. Ce travail entre dans le cadre de la simulation num rique en configuration tridimensionnelle. Il tudie la convection naturelle dans une cavit chauff e. Ce travail contient une introduction et une conclusion g n rale. Le premier chapitre contient la synth se bibliographique des travaux ant rieurs. Le second chapitre pr sente la m thode num rique utilis e dans les simulations num riques. En plus, le troisi me chapitre est consacr l'effet du nombre de Rayleigh. Par la suite nous avons tudi l'effet de l'inclinaison de la cavit par rapport la pesanteur. L'effet de la nature du fluide et l'effet du rapport de forme transverse sont pr sent s au quatri me chapitre.