CE MEMOIRE PRESENTE L'ETUDE EXPERIMENTALE DES MECANISMES D'ECHANGE THERMIQUE DANS UNE CAVITE CHAUFFEE PARTIELLEMENT OU TOTALEMENT PAR UNE SURFACE HORIZONTALE AVEC UN FLUX CONSTANT A L'ETUDE DE LA STRUCTURE TURBULENTE DE L'ECOULEMENT AU VOISINAGE DE CETTE SURFACE ACTIVE. LES FLUX GLOBAUX CONVECTES CONCERNANT TOUTES LES CONFIGURATIONS RETENUES ONT ETE REGROUPES SOUS UNE CORRELATION UNIQUE POUR LE CHAUFFAGE PARTIEL ET TOTAL DU PLANCHER, EN DONNANT L'EVOLUTION DU NOMBRE DE NUSSELT EN FONCTION DU RAPPORT DE LARGEUR DE LA PLAQUE CHAUFFANTE SUR LA LARGEUR DE LA CAVITE ET EN FONCTION DU NOMBRE DE RAYLEIGH. LA MESURE DES VALEURS MOYENNES DE TEMPERATURE ET DE LEURS FLUCTUATIONS PERMET DE DETERMINER LE CHAMP THERMIQUE. LES INSTABILITES THERMIQUES DE L'ECOULEMENT ONT ETE ANALYSEES EN FAISANT APPEL AUX ANALYSES STATISTIQUES, SPECTRALES, SPATIALES ET SPATIO-TEMPORELLES. NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE UNE LOCALISATION DE CES FORTES PERTURBATIONS AU VOISINAGE DU PLANCHER ET DANS UNE COUCHE D'EPAISSEUR DE 2 CM. L'ABSENCE DE STRATIFICATION A ETE CONFIRMEE

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.

ETUDE DE LA STRUCTURE DE TURBULENCE DE L'ECOULEMENT DANS UNE CAVITE DONT LES PAROIS SONT CHAUFFEES DIFFERENTIELLEMENT. ETUDE DU CHAMP THERMIQUE PAR ANEMOMETRIE A FIL FROID ET DU CHAMP DYNAMIQUE PAR ANEMOMETRIE LASER. ETUDE DU DEVELOPPEMENT DE LA COUCHE LIMITE. L'APPLICATION D'UN CODE DE CALCUL DONNE UNE DESCRIPTION FIDELE DE LA REGION LAMINAIRE MAIS S'AVERE MOINS EFFICACE DANS LA REGION TURBULENTE

ETUDE EXPERIMENTALE DE LA STRUCTURE TURBULENTE DANS UNE CAVITE A GEOMETRIE VARIABLE DE GRANDES DIMENSIONS PRESENTANT DEUX PAROIS VERTICALES OPPOSEES ISOTHERMES. LA MESURE DES VALEURS MOYENNES ET DE LEURS FLUCTUATIONS PERMET DE CARACTERISER LES CHAMPS DYNAMIQUE ET THERMIQUE. LA STRUCTURE TURBULENTE DE L'ECOULEMENT ETUDIE EST ANALYSEE A PARTIR DES PARAMETRES STATISTIQUES D'ORDRE N, DES SPECTRES D'ENERGIE. CETTE ETUDE EST COMPLETEE PAR LA DETERMINATION DES LOIS DE TRANSFERT DE CHALEUR. LES PHENOMENES OBSERVES S'AVERENT GENERALEMENT PLUS ACCENTUES LORSQUE LES DEUX COUCHES LIMITES DYNAMIQUES INTERFERENT. L'INFLUENCE DE L'INCLINAISON DE L'ENCEINTE SUR LES CARACTERISTIQUES TURBULENTES DE L'ECOULEMENT EST ABORDEE

DANS CETTE ETUDE EXPERIMENTALE NOUS AVONS MESURE LES TRANSFERTS CONVECTIFS SUR UNE FACE VERTICALE D'UNE CAVITE PARALLELEPIPEDIQUE DE GRANDE HAUTEUR EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DES AUTRES FACES DE LA CAVITE. NOUS AVONS EN PARTICULIER MONTRE L'INFLUENCE DE LA TEMPERATURE DES FACES HORIZONTALES SUPERIEURE ET INFERIEURE ET DES DEUX FACES LATERALES SUR: 1) LA TEMPERATURE DE L'AIR AU CENTRE DE LA CAVITE; 2) LA STRATIFICATION DE LA TEMPERATURE DU CUR; 3) LES REPARTITIONS DE TEMPERATURE ET DE SES FLUCTUATIONS DANS LA COUCHE LIMITE; 4) LES ECHANGES CONVECTIFS LE LONG DE LA FACE VERTICALE CHAUDE. NOUS AVONS CLASSE LES CONFIGURATIONS DE TEMPERATURE EN FONCTION DE LEURS EFFETS SUR CES GRANDEURS. UNE MODELISATION DES TRANSFERTS CONVECTIFS EN CAVITE EST PROPOSEE EN DEFINISSANT UNE TEMPERATURE DE REFERENCE QUI TIENT COMPTE DE LA TEMPERATURE DE TOUTES LES PAROIS. NOUS MONTRONS QUE L'ECART DE TEMPERATURE RETENU DANS TOUTES LES ETUDES ANTERIEURES NE PERMET PAS DE MODELISER LES ECHANGES CONVECTIFS EN CAVITE

L'influence des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle en cavités habitables est étudié numériquement en régimes turbulents. L'étude considère des approches DNS et LES pour le problème de convection et une méthode des ordonnées discrètes (MOD) pour la résolution du problème radiatif combinée au modèle de gaz réel SLW. La configuration étudiée est basée sur une cavité différentiellement chauffée expérimentale en air située à l'institut PPRIME, de rapport d'aspect vertical 4, pour des nombres de Rayleigh allant de 1,5x109 à 1,2x1011. La première partie de l'étude se focalise sur les techniques de parallélisations hybrides MPI + OpenMP de la MOD. Les méthodes développées montrent une amélioration des performances de 13 à 1600% pour des niveaux d'hybridations élevés par rapport à la méthode classique de front d'onde. Puis, une étude du couplage convection-rayonnement surfacique est réalisée au travers d'une étude de sensibilité de l'écoulement vis-à-vis des émissivités de parois pour différentes valeurs du nombre de Rayleigh. Ensuite, le rayonnement volumique du gaz est ajouté, et son impact est évalué au travers d'une variation du taux d'humidité relative du mélange air sec/vapeur d'eau. Les résultats obtenus sont comparés aux cas d'une cavité convectivement adiabatique (i.e. flux convectif nul aux parois passives). Les transferts radiatifs ont pour effet de diminuer la stratification thermique centrale et d'augmenter la dynamique générale de l'écoulement. L'émissivité des parois passives pilote principalement la localisation de la transition laminaire-turbulente aux parois actives et la stratification centrale, tandis que le rayonnement de gaz ne semble impacter que les couches limites des parois horizontales.

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.