Contribution à l'étude des mouvements d'air dans le bâtiment à l'aide d'un code de champ : application à la ventilation naturelle d'un local par une ou deux grandes ouvertures

= Contribution to the study of air movement in buildings using a computational fluid dynamics code : application to the natural ventilation of a room through one or two large openings

• Auteur / Autrice : Muriel Regard
• Direction : Gérard Guarracino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Conception en bâtiment et techniques urbaines
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Lyon, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Baies (architecture)

Ventilation naturelle

Constructions

Résumé

Les méthodes simples d'évaluation du renouvellement d'air dans le bâtiment constituent un outil intéressant mais ne sont pas toujours adaptées au calcul du renouvellement d'air par ventilation naturelle à travers les grandes ouvertures extérieures. L'objectif de notre travail est d'étudier dans quelle mesure les codes de champ peuvent constituer une alternative à l'emploi de ces méthodes ainsi qu'au montage d'expérimentations lourdes. Après avoir mis en évidence la dispersion des résultats fournis par les méthodes simplifiées ou semi-détaillées pour l'évaluation du renouvellement d'air dans un local ventilé par une grande ouverture extérieure en simple exposition, nous examinons les potentialités et les limites des codes de champ. Dans le cas de la convection mixte au sein d'une cavité parallélépipédique chauffée creusée dans le plancher d'une soufflerie, nous étudions la sensibilité des résultats numériques obtenus à l'aide du code CFD Fluent à la finesse du maillage, au choix du modèle de turbulence ainsi qu’aux conditions imposées en soufflage, et nous confrontons ces résultats numériques à des résultats expérimentaux de la littérature. Dans le cas d'une salle de classe ventilée mécaniquement, nous confrontons le champ de vitesse obtenu par simulation numérique à nos mesures expérimentales réalisées in situ. Nous réalisons ensuite la simulation numérique de la ventilation naturelle d'un local, en ventilation traversante et en ventilation simple. Le cas de la ventilation simple fait apparaître des défauts de convergence locale dans l'ouverture, que nous atténuons grâce à une procédure de résolution en 2 étapes successives. Une visualisation de l'écoulement de ventilation simple dans une cavité est réalisée à l'aide d'une expérimentation dans un canal hydraulique, et comparée qualitativement aux résultats numériques. Des corrélations donnant le débit de renouvellement d'air dans le local en fonction de la vitesse du vent et de l'écart de température entre la cavité et l’ambiance extérieure sont établies.

Simple methods are useful to evaluate air change rates in buildings but they may prove to be inaccurate to compute natural ventilation rates through large external openings. The purpose of our work is to study how CFD codes can be used instead of simplified methods or heavy experiments to fill this gap. In a first part, the scattering of the results obtained using simplified or semi-detailed methods is pointed out in the case of single-sided ventilation through a large opening. The limits and capabilities of CFD codes have been investigated in the cases of mixed convection inside a heated open cavity in a wind-tunnel, and in the case of a mechanically ventilated classroom. For the first configuration, the influence of mesh refinement, of the choice of the turbulence model and of inlet boundary conditions is studied using Fluent CFD code. A comparison between these numerical results and experimental results found in the literature is also given. For the second configuration, numerical results have been compared with our full-scale experimental results. In a second part, numerical simulations of natural ventilation in a room have been performed, both in single-sided ventilation and cross-ventilation. In single-sided ventilation, some local convergence problems have been encountered in the opening. A two-step solution procedure has allowed us to alleviate them. Then, an experimental set-up in a water channel has been used to visualize the flow pattern in the cavity. This enabled us to make a qualitative comparison with numerical results. Finally, correlation equations between air change rates in the room, wind speed and temperature conditions have been established.