Etude du couplage convection-rayonnement en cavité différentiellement chauffée à haut nombre de Rayleigh en ambiances habitables

par Laurent Cadet

Thèse de doctorat en Energétique et thermique

Sous la direction de Patrice Joubert et de Didier Saury.

Le président du jury était Shihe Xin.

Le jury était composé de Patrice Joubert, Didier Saury, Shihe Xin, Jean-Philippe Laval, Anouar Soufiani, Eric Chenier, Denis Lemonnier, Anne Sergent.

Les rapporteurs étaient Jean-Philippe Laval, Anouar Soufiani.


  • Résumé

    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.

  • Titre traduit

    Convection-radiation coupling in differentially heated cavity at high Rayleigh number in building situations


  • Résumé

    The influence of radiative transfer on natural convection flows in cavities is studied numerically in turbulent regimes. The study considers DNS and LES approaches for the convection problem and discrete ordinate method (MOD) to solve the radiative problem combined with the SLW real gas model. The studied configuration is based on an experimental differentially heated cavity in air located at the Pprime Institut with a vertical aspect ratio of 4, for Rayleigh numbers ranging from 1,5x109 to 1,2x1011. The first part of the study focuses on hybrid MPI + OpenMP parallelization of the DOM. The methods developed show performance improvements of 13 to 1600% compared to the classical wavefront method. Then, a study of convection-wall radiation coupling is achieved through a flow sensitivity study to walls emissivities for different values of the Rayleigh number. Then, the gas radiation is added, and its impact is measured through a variation of the relative humidity of the dry air + steam. The results are compared to the case of a convectively adiabatic cavity (i.e. zero convective flux at the passive walls). Radiative transfers have the effect of reducing the central thermal stratification and increase the overall dynamics of the flow. The emissivity of the passive walls drives the location of the laminar-turbulent transition on the active walls and the central thermal stratification, while the gas radiation seems to impact the boundary layers of the horizontal walls.


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