Full-scale experimental characterization of a non-isothermal realistic air jet for building ventilation : Local interaction effects, moisture transport and condensation prediction

par Chi Kien Nguyen

Thèse de doctorat en ED MEGA Génie Civil

Sous la direction de Frédéric Kuznik.

Soutenue le 25-10-2018

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) et de Centre de Thermique de Lyon / CETHIL (laboratoire) .

Le président du jury était Pascal Henry Biwole.

Le jury était composé de Frédéric Kuznik, Pascal Henry Biwole, Amina Meslem, Monika Woloszyn, Damien David, Catalin Teodosiu.

Les rapporteurs étaient Amina Meslem, Monika Woloszyn.

  • Titre traduit

    Caractérisation expérimentale d'un jet d'air anisotherme réaliste pour la ventilation du bâtiment : L'interaction du local, le transport d'humidité et la condensation


  • Résumé

    La compréhension de la distribution de l'air intérieur accompagné du transfert couplé "chaleur-air-humidité" est essentielle à la conception des systèmes de ventilation des bâtiments. Parmi les méthodes de distribution d'air intérieur, la ventilation par mélange est l'une des plus couramment utilisées, dont la performance est déterminée par celle du jet d'air injecté. Au cours des dernières décennies, bien que de nombreuses recherches aient été menées sur les études des jets d'air, la majorité de ces études se sont concentrées sur une disposition symétrique des bouches de soufflage et d’extraction par rapport à la géométrie du local. En outre, les études traitant du transfert couplé "chaleur-air-humidité", qui inclut le phénomène de condensation sur la surface interne du local, sont encore limités dans la littérature. Ainsi, ce travail se concentre sur la problématique suivante : Quel est le comportement d'un jet d'air réaliste sous des effets d'interaction et comment caractériser de tels jets d'air ? Dans des conditions d'intérieur réalistes favorisant la condensation sur une surface froide, serait-il possible de quantifier le débit massique de condensation ? Les deux études sont expérimentées dans la cellule d’essais MINIBAT à l’échelle 1. La première partie consiste à caractériser un jet d'air turbulent au plafond dans une configuration d’écoulement intérieur réaliste. Les résultats expérimentaux montrent les effets d'interaction visibles des éléments architecturaux de la pièce sur le comportement du jet d'air tels que la déviation de la trajectoire du jet ainsi que la déformation des profils du jet. Les principales caractéristiques du jet, telles que le taux d’expansion, la décroissance de vitesse et de température, sont quantifiées. Une méthode graphique basée sur un indicateur de déformation est proposée pour quantifier la déformation des profils transversaux du jet.La deuxième partie de ce travail traite le phénomène de condensation sur une surface vitrée en reproduisant les conditions hivernales dans la cellule d’essais. L’apparition de la condensation et son mécanisme de croissance sont observés à l'aide d'une technique de macrophotographie. Le post-traitement de l'image permet d'estimer le débit de condensation. Les comparaisons entre les résultats expérimentaux et théoriques montrent un certain accord, ce qui pourrait valider la faisabilité des techniques d'imagerie dans les études de condensation à l’échelle 1. Des données expérimentales détaillées accompagnées de conditions aux limites bien connues issues de ce travail pourraient servir de test de benchmark pour la validation des modèles CFD, en particulier pour les configurations d’écoulement asymétrique, avec la présence de la condensation.


  • Résumé

    Understanding room air distribution with coupled heat-air-moisture transport is essential to the design of building ventilation systems. In the past decades, although numerous research have been undertaken on air jet studies, there are still some issues that deserve a consideration. In fact, the majority of these studies focused on a symmetric arrangement of supply and exhaust air outlets with respect the room geometry. Besides, studies dealing with room coupled heat-air-moisture transport, which includes the condensation phenomenon on the room inner surface, are generally lacking in the literature. Hence, this work focuses on the following problematic: What is the behavior of a realistic air jet under interaction effects and how to characterize such air jets? In realistic indoor conditions promoting condensation on cold surface, would we be able to quantify the condensate mass flow rate? The two studies are experimentally investigated in the full-scale MINIBAT controlled test cell. The first part consists in characterizing a ceiling turbulent air jet in a realistic indoor airflow configuration. The experimental results show visible interaction effects of the room architectural elements on the air jet behavior: they have deviated the jet trajectory as well as deformed the jet cross-sectional shape. The jet main characteristics such as the spread rate, the velocity and temperature decay are quantified. A graphical-based method is proposed to quantify the jet shape deformation using a so-called deformation indicator. The second part of this work treats the phenomenon of moisture condensation on a glazing surface by reproducing a winter condition within the test cell. The condensation appearance and its growth mechanism are observed using a macro-photography technique. The image post-processing enabled to estimate the condensation rate. Comparisons between experimental and theoretical results show some agreement, which could validate the feasibility of imaging techniques in full-scale condensation studies.Detailed experimental data accompanied by well-known boundary conditions from this work could serve as a benchmark test for CFD models validation, in particular for asymmetric airflow configurations, with the presence of the condensation phenomenon.


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