Etude expérimentale des jets axisymétriques anisothermes horizontaux se développant près d'une paroi : application à la modélisation numérique des cavités ventilées

par Frédéric Kuznik

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Jean Brau et de Gilles Rusaouen.

Soutenue en 2005

à Lyon, INSA .


  • Résumé

    L'Homme passant la plupart de son temps dans des espaces clos, le contrôle environnemental des bâtiments devient de plus en plus important. La détermination du confort de l'occupant passe par la détermination des champs thermiques et aérauliques des locaux. Une démarche capable de répondre à cette demande est la modélisation numérique des ambiances intérieures à l'aide de codes de type CFD (Computational Fluid Dynamics). Cependant, peu d'études expérimentales permettent d'apporter des réponses expertes concernant les modèles de turbulence à utiliser : c'est ce que nous nous proposons de faire dans le cas d'une cavité ventilée avec effets thermiques. La première partie permet de présenter la cellule test MINIBAT. Cette cavité à température extérieure contrôlée est ventilée grâce à un soufflage réalisé à l'aide d'une bouche ronde placée à proximité du plafond. Différents cas sont traités : un jet chaud, un jet froid et un jet isotherme par rapport à la température intérieure de la pièce. L'utilisation de modèles simples de turbulence à deux équations de fermeture ne permet pas de prédire correctement l'écoulement, principalement dans la zone du jet. Nous posons alors la problématique de la thèse : quelles sont les caractéristiques de l'écoulement et par conséquent quels sont les modèles numériques à utiliser. Pour répondre à la première partie de la problématique, nous présentons dans le second chapitre la métrologie à mettre en oeuvre. Celle-ci est basée principalement sur une sonde à trois fils chauds permettant une mesure tridimensionnelle de la vitesse instantanée. L'étalonnage in situ de ce type de sonde nécessite la création d'une tuyère et d'un châssis permettant de la déplacer en rotation suivant deux axes. L'accent est mis sur la détermination des incertitudes relatives à l'étalonnage de la sonde. Dans le troisième chapitre, nous traitons les résultats expérimentaux et il apparaît que les cas de jets isotherme, chaud, froid et froid adhérant à la paroi sont très différents au niveau turbulent et par conséquent très différents concernant leurs caractéristiques physiques : taux d'expansion, décroissance des valeurs maximales,. . . . Nous définissons alors une typologie des écoulements basée sur les triangles de Lumley et permettant une caractérisation de l'anisotropie de la turbulence ainsi qu'une meilleure compréhension des différences entre les données expérimentales et les modèles numériques testés dans le premier chapitre. Dans le dernier chapitre, nous nous proposons d'utiliser la typologie des écoulements pour déterminer une modélisation adéquate de la turbulence. Nous montrons alors qu'un modèle de fermeture du second ordre permet une meilleure prédiction des écoulements dans les cas considérés. Cependant, des différences subsistent entre les données expérimentales et les résultats numériques. Nous proposons alors une amélioration de ce modèle en nous basant sur les comparaisons des valeurs turbulentes expérimentales et numériques.

  • Titre traduit

    = Experimental study of horizontal anisothermal axisymmetric jets issuing near a wall : Application to CFD modelling of ventilated enclosures


  • Résumé

    As we spend most of our time in enclosed spaces, the environmental control of buildings is becoming very important. In order to assess the thermal comfort in rooms, it is necessary to have the temperature and velocity fields. A detailed determination of these fields is possible with codes of the CFD type (Computational Fluid Dynamics). However, only few detailed experimental studies are able to give an answer to the problem of the turbulence model to use : that is our purpose in the case of a ventilated room with thermal effects. The first part of this work deals with the presentation of the test cell MINIBAT. It is a ventilated cavity in which the air is blown through a circular opening located below the ceiling. Three cases are tested : a hot air jet, a cold air jet and an isothermal air jet, according to the mean air room temperature. The different two equations closure turbulence models tested are not able to predict the correct jet behavior. The problematic of our work is then to answer two questions : what are precisely the characteristics of the flows and how to model these cases. In order to answer the first part of the problematic, the second chapter of this manuscript is dedicated to the description of the additional metrology. It is mainly composed of a three dimensional three hot wires probe allowing the measurement of the instantaneous velocity. An in situ hot wire calibration unit has been then built, comprising a low velocity wind tunnel and a mobil installation to carry and move it. The determination of the calibration uncertainties are then developed. The third part deals with the experimental results obtained with the new metrology. The turbulence characteristics of the isothermal jet, the hot jet, the cold jet which is not adhering to the ceiling and the cold jet which is adhering to the ceiling are completely different, and so their physical characteristics are completely modified : jet expansion rates, maximum temperature and velocity decay. . . A typology of such flows is then elaborated, using a modified Lumley triangle allowing the characterization of the turbulence anisotropy. In the last part of this thesis, the typology of the different flows is used to establish the turbulence model that should be chosen. The Reynolds stress turbulence model predicts better the flows than the turbulence models tested previously. An improvement of this model is proposed, using the comparisons between the experimental data and the numerical results.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XXXII-190 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 133-139

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  • Bibliothèque : Institut National des Sciences Appliquées. Bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2990)
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