Etude des écoulements de convection naturelle en cavité fermée

L’objectif de ce chapitre est de caractériser les écoulements de convection naturelle dans les espaces confinés, plus particulièrement dans les cavités parallélépipédiques fermées, de dimensions et d’inclinaisons variables et dont les parois sont chauffées différentiellement. En effet, ce type d’écoulement d’air est présent dans de nombreux systèmes et processus industriels ; par exemple les systèmes thermiques solaires, les systèmes de refroidissement des circuits électroniques et des réacteurs nucléaires, les bâtiments et, plus précisément, l’isolation de parois opaques ou vitrées. Dans le cadre de notre étude, la caractérisation des performances thermiques des lames d’air fermées permet de déterminer la part de résistance thermique qu’ajoutent ces cavités d’air aux complexes de paroi isolée avec des PMR à faces peu émissives. De nombreux travaux concernent l’étude des phénomènes thermiques dans les cavités d’air fermées, le but étant de pouvoir maîtriser les transferts de chaleur. En effet, pour plusieurs applications on cherche à améliorer les échanges thermiques à l’aide de ces cavités d’air alors que pour d’autres, on cherche à augmenter le degré d’isolation. Pour les écoulements de convection libre dans les cavités fermées, les paramètres les plus importants sont la géométrie de l’espace et les propriétés thermophysiques du fluide. Dans ce chapitre, une bibliographie détaillée est tout d’abord effectuée sur la convection naturelle dans les lames d’air non ventilées. Cette bibliographie regroupe des études théoriques, numériques et expérimentales qui ont été réalisées afin de résoudre ce problème de transfert thermique. La plupart des travaux concernent essentiellement les cavités d’air verticales ou horizontales chauffées par le bas (cas de la convection de Rayleigh-Bénard). De plus, les corrélations proposées dans la littérature sont valables pour certaines dimensions de cavité et manquent pour certains angles d’inclinaison. Pour cela, dans une deuxième partie de ce chapitre, une modélisation numérique est réalisée à l’aide du code CFD Fluent pour des cavités d’air de différents allongements, possédant deux parois chauffées différentiellement et balayant plusieurs angles d’inclinaison allant de 0° (cavités chauffées par le bas) à 180° (cavités chauffées par le haut). Enfin, les résultats numériques obtenus sont validés pour certains cas d’étude par des corrélations choisies dans la littérature et sont utilisés pour définir un coefficient d’échange convectif moyen à l’intérieur des lames d’air fermées pour une plage importante d’allongement et du nombre de Rayleigh.

Depuis plusieurs années, l’écoulement dans les cavités confinées chauffées différentiellement fait l’objet de nombreuses études numériques et expérimentales. Ces dernières ont montré que le régime d’écoulement dans ces cavités d’air fermées est conditionné par plusieurs paramètres qui sont essentiellement l’écart de températures entre les deux parois chaude et froide, les dimensions de la cavité parallélépipédique et l’angle d’inclinaison que fait la paroi chaude avec l’horizontale. En effet, pour de faibles écarts de températures entre parois actives, l’écoulement est laminaire. L’écart de températures étant le moteur de la convection naturelle, une augmentation au-delà d’une certaine valeur critique va créer des instabilités qui entraînent la transition de l’écoulement vers des régimes instationnaires, chaotiques, voire même turbulents. Dans cette étude bibliographique, un état de l’art est réalisé afin de résumer les différents régimes d’écoulements existants et de présenter les corrélations de transferts thermiques à travers ces cavités d’air.

La convection naturelle est un phénomène de transfert thermique entre un solide et un fluide de températures différentes qui se traduit par une diffusion de chaleur entre les deux milieux. Les gradients de température ainsi créés au niveau du fluide se traduisent par des gradients de masse volumique qui provoquent une poussée verticale (poussée d’Archimède) générée par une dilatation locale du fluide. Etant donné que le champ de vitesse dans le fluide dépend de son champ de température, la convection naturelle est le siège d’un couplage des problèmes mécaniques et thermiques qui doivent être résolus simultanément et qui sont influencés par les propriétés thermodynamiques du fluide, les écarts de températures et la géométrie des systèmes concernés [Bejan, 1993]. Les études numériques de ces problèmes d’écoulement consistent alors à résoudre un système complexe d’équations différentielles qui prend en compte le couplage de l’aspect dynamique et thermique de l’écoulement. Pour cela un bon choix des conditions aux limites et du régime d’écoulement est nécessaire afin de résoudre correctement le problème.

Pour les écoulements laminaires, les modèles numériques actuels sont capables de résoudre facilement les problèmes de convection naturelle dans les espaces confinés. Par contre, pour les écoulements instationnaires voire turbulents, les recherches se sont multipliées afin de cerner les phénomènes qui provoquent l’apparition des instationnarités et les modèles numériques présentent jusqu’à aujourd’hui des limites de résolution. Pour les écoulements turbulents, des améliorations ont été apportées aux modèles mathématiques avec la conception de calculateurs de plus en plus puissants. Sur le plan expérimental, des chercheurs ont travaillé sur la conception et le développement de dispositifs de grandes tailles, plus performants du point de vue mesure et permettant d’obtenir une bonne visualisation des écoulements à grand nombre de Rayleigh. Ces dispositifs doivent pouvoir atteindre les mêmes conditions aux limites imposées dans les modèles numériques 3D comme par exemple l’adiabacité des parois latérales et horizontales pour comparer et valider les modèles. Dans le but de rapprocher les études numériques et expérimentales sur ce sujet, Mergui [Mergui, 1996] a réalisé une étude expérimentale détaillée sur un dispositif 3D de grandes dimensions afin de caractériser les écoulements turbulents dans une cavité carrée 3D chauffée différentiellement. L’objectif principal de son étude était de comparer ses résultats à ceux des études numériques récentes. Pour cela il a apporté un soin particulier aux conditions aux limites de la cavité par une bonne isolation des parois passives et par la mise en place de cavités de garde de part et d’autre.