CE TRAVAIL A CONCERNE LE CHAUFFAGE DES LOCAUX DE GRANDES DIMENSIONS PAR PANNEAUX RADIANTS SUSPENDUS AU PLAFOND. NOTRE OBJECTIF ETAIT DE METTRE AU POINT DES OUTILS NUMERIQUES AFIN D'ETUDIER D'UNE PART LE COUPLAGE ENTRE LES EMETTEURS RADIANTS ET L'ENVELOPPE DU LOCAL, D'AUTRE PART LE CONFORT THERMIQUE RESULTANT DE CE PROCEDE DE CHAUFFAGE. NOUS AVONS ELABORE UN MODELE THERMIQUE SIMPLIFIE QUI PREND EN COMPTE LE RAYONNEMENT DE SURFACE, LA CONDUCTION ET LA CONVECTION PAR L'INTERMEDIAIRE DE COEFFICIENTS D'ECHANGE. NOUS AVONS NOTAMMENT PU METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DE LA POSITION DES PANNEAUX RADIANTS SUR LES TEMPERATURES DE PAROIS. UN PROCESSUS ITERATIF ENTRE CE MODELE THERMIQUE ET UN MODELE NUMERIQUE RESOLVANT LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES A ETE AUTOMATISE. IL NOUS A PERMIS DE MONTRER QUE LES VITESSES SONT FAIBLES DANS LE CUR DE LA CAVITE ET PLUS IMPORTANTES LE LONG DES PAROIS. NOUS AVONS EGALEMENT CONSTATE QUE LE CHAUFFAGE PAR PANNEAUX RADIANTS N'ENTRAINE PAS DE STRATIFICATION THERMIQUE AU SEIN DU LOCAL. CES RESULTATS NOUS ONT INCITES A ETUDIER LE TRANSFERT THERMIQUE A LA PAROI. DANS UN MODELE PARABOLIQUE RESOLVANT LES EQUATIONS DE LA COUCHE LIMITE, NOUS AVONS IMPLANTE DEUX MODELES ALGEBRIQUES DE TURBULENCE. CECI A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DE LA NON-UNIFORMITE DE LA TEMPERATURE DE PAROI SUR LE TRANSFERT DE CHALEUR. LES CORRELATIONS ISSUES DE CETTE ETUDE ONT ETE INTRODUITES DANS LE MODELE THERMIQUE ; ELLES ONT PERMIS D'OBTENIR DES RESULTATS EN ACCORD AVEC UNE MODELISATION FINE DES PHENOMENES CONVECTIFS ET AVEC DES RESULTATS EXPERIMENTAUX. NOUS AVONS EGALEMENT MIS AU POINT UN MODELE POUR CALCULER TROIS CRITERES DE CONFORT THERMIQUE: LA TEMPERATURE RESULTANTE, L'ASYMETRIE DE RAYONNEMENT ET L'ECLAIREMENT MAXIMAL ADMISSIBLE. NOUS AVONS PU METTRE EN EVIDENCE, DANS UN CAS REEL DE HALLS INDUSTRIELS, LA GRANDE INFLUENCE DE LA POSITION DES PANNEAUX RADIANTS SUR LE CONFORT THERMIQUE

Comme pour chaque discipline à caractère industriel, la compréhension et la maîtrise de la Thermique n’est possible que grâce à la pratique d’exercices dans ses divers domaines d’application. C’est ce que propose ce deuxième tome d’exercices entièrement résolus, qui comprend également un rappel de cours spécifique. Consacré au rayonnement thermique, l’ouvrage inclut des exercices classiques ou inédits, qui vont du plus simple (application directe des lois fondamentales) au plus complexe (approfondissement des connaissances acquises). Les solutions analytiques et numériques, ainsi que les méthodes de calcul, sont détaillées pour faciliter leur utilisation dans d’autres situations. Afin de faire ressortir l’aspect physique de la Thermique et de matérialiser les ordres de grandeur, un accent particulier a été mis sur l’analyse et l’interprétation des résultats. Cet ouvrage s’adresse aux étudiants des premiers et seconds cycles universitaires, ainsi qu’aux ingénieurs, chercheurs et enseignants qui veulent disposer d’un outil pédagogique permettant de mettre en pratique les connaissances théoriques et de se familiariser avec des situations concrètes. Table des matières : Avant-propos. Liste des symboles. Rappels de cours. Exercices résolus. : . flux radiatif d’une surface noire, . spectre d’émission d’un corps noir, . corps noir approché, . rayonnement d’une source ponctuelle, . température d’équilibre de la terre, . calcul de la constante solaire, . température d’équilibre d’une paroi non homogène, . échanges radiatifs entre deux surfaces noires, . équilibre radiatif d’un satellite artificiel, . qualité d’une surface sélective, . température d’équilibre d’un absorbeur sélectif, . rendement d’un collecteur solaire non vitré, . transmission radiative à travers la vitre d’un four, . mesure de température dans un four, . mesure de température dans une conduite, . effet du rayonnement sur la mesure de température, . rayonnement d’une tige cylindrique, . qualité d’un corps noir artificiel, . écrans radiatifs plans, . rayonnement au niveau d’un réservoir sphérique, . dimensionnement d’un écran radiatif sphérique, . échanges radiatifs entre deux cylindres coaxiaux, . écrans radiatifs cylindriques, . dimensionnement d’un écran radiatif cylindrique, . dimensionnement d’un système radiatif, . échanges radiatifs avec flux de chaleur imposé, . efficacité d’un écran radiatif plan incliné, . échanges radiatifs entre deux disques parallèles, . isothermie d’un corps noir artificiel, . transferts radiatifs et convectifs simultanés, . rendement d’un capteur solaire vitré, . deux plans parallèles isothermes de radiosités non uniformes, . cylindre isotherme de radiosité non uniforme, . cylindre de radiosité et de température non uniformes, . rayonnement à travers un gaz isotherme, . rayonnement à travers un gaz optiquement mince, . gaz optiquement épais entre deux plans isothermes, . gaz optiquement épais entre deux cylindres isothermes, . gaz optiquement épais entre deux sphères isothermes, . gaz en équilibre radiatif entre deux plans isothermes. Annexes : principaux facteurs de conversion en unités S.I., propriétés thermophysiques, loi de Planck, fraction de l’énergie radiative d’un corps noir, émissivité totale normale, facteurs de forme Bibliographie. Index alphabétique.

Ce travail est consacré à la simulation des transferts couplés, rayonnement-conduction-convection dans un milieu gaz-gouttelettes, semi-transparent, non gris, absorbant et diffusant. L'application de ce travail porte sur l'étude des rideaux d'eau utilisés en protection contre les incendies. En vue d'une optimisation, une étude fine des interactions rayonnement - matière est menée. Le but est de contribuer à la compréhension des phénomènes d'interaction, ainsi qu'à la réalisation d'outils prédictifs fiables simulant le comportement de sprays anti-incendie. La description des transferts couplés de masse, quantité de mouvement et d'énergie est faite à partir d'une simulation eulérienne lagrangienne. Le modèle de propagation du rayonnement associe la théorie de Mie, le modèle Ck et une évolution de la méthode de Monte Carlo, nommée MMC 2.2, qui permet de bien prendre en compte la propagation du rayonnement dans un milieu de propriétés radiatives hétérogènes. Cette nouvelle version est validée puis comparée avec les autres techniques de type MMC déjà existantes dans la littérature. Ce travail met ensuite en avant les problèmes de simulations numériques liés à la modélisation 3D du transfert radiatif dans un milieu où la fonction de phase est fortement anisotrope (caractéristique de gouttes d'eau). Une étude complète (dynamique, thermique et rayonnement) permet la validation du code de calcul avec des données expérimentales. Puis, plusieurs configurations sont testées en vue d'améliorer l'atténuation du rayonnement (rampes, augmentation du débit, .). Elles permettent notamment de dégager des pistes de recherche pour l'optimisation de ces dispositifs de boucliers thermiques.

LE PRESENT TRAVAIL CONTRIBUE A L'ETUDE DES TRANSFERTS COUPLES CONDUCTION-RAYONNEMENT DANS LES MILIEUX SEMI-TRANSPARENTS (MST). L'EQUATION DE TRANSFERT RADIATIF DANS UN ISOLANT FIBREUX EST RESOLUE A L'AIDE D'UN MODELE A DEUX FLUX DANS LE CADRE D'UN MUR UNIDIMENSIONNEL A PAROIS OPAQUES, NON GRIS ET DIFFUSANT. LA SOURCE RADIATIVE AINSI CALCULEE EST INCLUSE DANS UN MODELE AUX DIFFERENCES FINIES QUI PERMET DE RESOUDRE L'EQUATION DE LA CHALEUR, EN REGIME PERMANENT OU INSTATIONNAIRE, DANS LE CAS D'UN MATERIAU DONT LES PROPRIETES THERMOPHYSIQUES VARIENT AVEC LA TEMPERATURE. DEUX DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX, ADAPTES A UN SPECTROMETRE INFRAROUGE COMMERCIAL, ONT ETE REALISES EN VUE DE MESURER, D'UNE PART LA REFLECTIVITE DIRECTIONNELLE NORMALE DE MATERIAUX OPAQUES, PLANS ET LISSES DANS UNE GAMME DE TEMPERATURE ALLANT DE 20 A 1000#OC, D'AUTRE PART LA TRANSMITTIVITE DIRECTIONNELLE DE MST ENTRE L'AMBIANTE ET 600#OC. EN OUTRE, UN TROISIEME DISPOSITIF PERMET LA MESURE DES TRANSMITTIVITES ET REFLECTIVITES BIDIRECTIONNELLES DE MST DIFFUSANTS DANS LE DOMAINE SPECTRAL SITUE ENTRE 2 ET 10 MICROMETRES. L'ANALYSE DES RESULTATS EXPERIMENTAUX PERMET D'EVALUER LES PARAMETRES RADIATIFS DES CONSTITUANTS D'UNE PROTECTION THERMIQUE MULTI-ECRANS. LES MODELES NUMERIQUES SIMULENT LE COMPORTEMENT D'UNE CELLULE DE BASE DE CETTE STRUCTURE EN REGIME TRANSITOIRE ET EN REGIME PERMANENT, AFIN D'EN CALCULER LA CONDUCTIVITE THERMIQUE EQUIVALENTE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE. LES VALEURS OBTENUES EN BON ACCORD AVEC LES DONNEES EXPERIMENTALES RELATIVES AUX PROTECTIONS THERMIQUES EXISTANTES, PEUVENT ETRE UTILISEES POUR SIMULER LE COMPORTEMENT THERMIQUE D'UNE STRUCTURE MULTI-ECRANS

CE TRAVAIL EST CONSACRE A L'ETUDE DES TRANSFERTS RADIATIFS AUX FRONTIERES D'UNE ENCEINTE MAILLEE EN ELEMENTS FINIS AINSI QU'AU COUPLAGE DU PHENOMENE DE RAYONNEMENT AVEC LES AUTRES MODES DE TRANSFERTS (CONDUCTION, CONVECTION). DANS LA PREMIERE PARTIE NOUS PRESENTONS UNE TECHNIQUE DE CALCUL APPROCHEE DES FACTEURS DE FORME GEOMETRIQUES QUI PERMET D'OBTENIR DES RESULTATS SATISFAISANTS TOUT EN ASSURANT DES TEMPS DE CALCUL RELATIVEMENT REDUITS PAR RAPPORT AUX METHODES CLASSIQUES. LA SECONDE PARTIE EST CONSACREE AU DEVELOPPEMENT D'UN CODE DE CALCUL DES ECHANGES RADIATIFS. CE CODE, BASE SUR LA METHODE DES RADIOSITES, PREND EN COMPTE LES VARIATIONS DES PROPRIETES PHYSIQUES AVEC LA TEMPERATURE ET LA LONGUEUR D'ONDE. L'ETUDE DU COUPLAGE DU PHENOMENE RADIATIF AVEC LES AUTRES MODES DE TRANSFERT EST ENSUITE ENTREPRISE. NOUS CONSIDERONS TOUT D'ABORD LE CAS DU REGIME STATIONNAIRE. L'IDEE PRINCIPALE DE LA TECHNIQUE PRESENTEE CONSISTE A TIRER PARTIE DE LA LINEARITE DU PHENOMENE CONDUCTIF EN UTILISANT LE PRINCIPE DE SUPERPOSITION DES SOLUTIONS AFIN DE METTRE EN PLACE UNE RELATION EXPLICITE POUR LA PARTIE CONDUCTIVE. DANS LA DERNIERE PARTIE, L'ETUDE EST ETENDUE AU CAS DU REGIME INSTATIONNAIRE. NOUS MONTRONS COMMENT LA TECHNIQUE MISE EN UVRE PEUT PERMETTRE LA REPRESENTATION REDUITE DE SYSTEMES THERMIQUES INSTATIONNAIRES ET NON LINEAIRES, NOTAMMENT CEUX CARACTERISES PAR UNE EVOLUTION TEMPORELLE LENTE. AINSI, DANS LE CAS DE DEUX MURS COUPLES PAR RAYONNEMENT, NOUS PASSONS D'UN SYSTEME COMPLET DE DIMENSION 200 A UN MODELE REDUIT DE DIMENSION 20

CE TRAVAIL S'INSCRIT DANS LE CADRE D'UNE RECHERCHE DONT L'OBJECTIF EST DE CERNER LES PRINCIPAUX MECANISMES REGISSANT LA CONVECTION NATURELLE DANS UNE PIECE D'HABITATION. ON TENTE ICI DE DETERMINER DANS QUELLE MESURE LES PROPRIETES D'EMISSION/ABSORPTION DE L'AIR AMBIANT DANS L'INFRAROUGE INFLUENCENT LES ECOULEMENTS DE COUCHE LIMITE LE LONG DES PAROIS AINSI QUE LES ECOULEMENTS DE CUR. DANS UNE PREMIERE PHASE ON ABORDE LE PROBLEME DE LA MODELISATION DES ECHANGES RADIATIFS EN CAVITE, EN PRESENCE D'UN GAZ ABSORBANT DANS L'INFRAROUGE. LES GAZ CONSIDERES (VAPEUR D'EAU, DIOXYDE DE CARBONE) ONT DES SPECTRES DE RAIES QUE NOUS SIMULONS PAR UN MODELE STATISTIQUE A BANDES ETROITES. LPS UATION DE TRANSFERT RADIATIF EST RESOLUE A L'AIDE DE LA METHODE DE MONTE CARLO SUR LA BASE D'UNE FORMULATION RECIPROQUE QUI PERMET DE REDUIRE NOTABLEMENT LES TEMPS DE CALCUL. IL A AINSI ETE POSSIBLE DE TRAITER DES CONFIGURATIONS BIDIMENSIONNELLES AVEC REFLEXIONS MULTIPLES. LA RESOLUTION NUMERIQUE DU PROBLEME COUPLE CONDUCTION/RAYONNEMENT A EGALEMENT ETE ABORDEE. CETTE PARTIE DE L'ETUDE A ETE SUIVIE D'UNE CAMPAGNE DE VALIDATION EXPERIMENTALE. DANS UN SECOND TEMPS, L'OUTIL NUMERIQUE DEVELOPPE A ETE EMPLOYE POUR L'INTERPRETATION DE DIVERS RESULTATS EXPERIMENTAUX OBTENUS DANS DEUX MAQUETTES DE PIECE D'HABITATION. DANS LA PLUPART DES CAS, LES BILANS RADIATIFS VOLUMIQUES NE SONT PAS NEGLIGEABLES ET IL SEMBLE QUE CELA SE TRADUISE PAR UNE ACTIVITE CONVECTIVE A FAIBLE VITESSE DANS TOUTE LA PARTIE CENTRALE. CES ECOULEMENTS, TRES SENSIBLES AUX PROPRIETES RADIATIVES DE SURFACE, POURRAIENT ETRE A L'ORIGINE DE CERTAINS DES ECARTS EXPERIMENTAUX RENCONTRES DANS LA LITTERATURE

Ce travail étudie expérimentalement et numériquement, les champs thermique et dynamique produits par une source linéaire de chaleur placée à la base d’une enceinte parallélépipédique en contact avec l’extérieur par l’intermédiaire de deux ou quatre ouvertures rectangulaires identiques. Deux enceintes M1 et M2, de rapports d’aspect respectifs H/L= 2,46 et 0,82, ont été successivement étudiées pour trois situations géométriques différentes. Dans les cas 11 et 12, l’enceinte M1 présente respectivement deux ouvertures symétriques localisées au bas de l'enceinte ou quatre ouvertures, deux situées au niveau du plancher et deux au niveau du plafond. Dans le cas 21, les deux ouvertures de l’enceinte M2 sont situées symétriquement au bas de l'enceinte. La source de chaleur peut être alimentée selon deux modes : puissance par unité de longueur constante ou température constante pour lesquels elle se comporte respectivement comme un système du premier ou du second ordre. Les études expérimentales ont été réalisées pour les cas 11, 12 et 21, en situations instationnaire et stationnaire, en mesurant les champs de température moyenne au sein de l’enceinte au moyen de thermocouples et le champ vertical des différences de pression statique à l’aide de capteurs de pression placés en parois. Les études numériques ont été menées par DNS pour les cas 11 et 12 en considérant que la source de chaleur est à température constante. L’approche analytique a été limitée au cas stationnaire d’un modèle à zones dans lesquelles la température est constante ou varie linéairement avec l’altitude. Dans le mode puissance par unité de longueur constante, les résultats expérimentaux montrent qu’avant d’atteindre un état stationnaire, le remplissage thermique de l’enceinte est contrôlé par la constante de temps de la source. Dans les cas 11 et 21, selon la valeur du rapport d’aspect, le panache peut rester centré ou dévié dès le début du chauffage ou après un certain temps vers une des parois latérales. De même, la région supérieure peut être homogène en température ou stratifiée et les écoulements présents aux ouvertures peuvent être symétriques ou dissymétriques. Le cas 21 présente une similarité avec celui de la « filling box » de Baines et Turner (1969) uniquement dans la phase initiale de chauffage. Dès que l’intérieur de l’enceinte est chauffé, les modifications de pression statique induisent des échanges gazeux avec l’extérieur qui se traduisent par un chauffage de la région située autour du panache. Dans le mode température constante, dans le cas 11, le panache reste centré en raison de l’effet stabilisant de ce mode de chauffage. Cette situation fait que ce cas est très similaire au cas 21. Dans le cas 12, la hauteur neutre se retrouve très rapidement à z/H=0,6 ce qui favorise l’entrée d’air extérieur au niveau des ouvertures basses et la sortie de l’air chaud par les ouvertures hautes. La zone basse de l’enceinte est peu chauffée et la zone supérieure est homogène en moyenne en température. Les comparaisons entre les champs de température et de différence de pression statique obtenus en situations stationnaires expérimentalement et numériquement montrent accord plus satisfaisant dans le cas 11 que dans le cas 12.