Academic literature on the topic 'Chaleur – Convection naturelle'

Un modèle décrivant la température d'équilibre des lagunes a été développé, tenant compte des différents flux de chaleur que celles-ci échangent avec l'air et le sol environnant. Six composantes différentes ont été inclues dans le calcul de ce bilan thermique: radiation solaire, évaporation, convection, rayonnement atmosphérique, rayonnement de la surface du plan d'eau, échange via les parois en contact avec le sol. Le modèle ainsi obtenu a été testé avec efficacité sur deux lagunes aérées et une lagune naturelle situées sous climat tempéré ; sa précision sur l'estimation des températures d'équilibre étant de l'ordre de 0.7 °C. Des simulations en continu ont également pu être effectuées au moyen d'une variante dynamique, tenant compte de l'inertie thermique qu'entraîne le volume des bassins. Quelle que soit la saison envisagée, la principale forme d'apport de chaleur est représentée par la radiation solaire tandis que la dissipation d'énergie se partage entre les flux d'évaporation et la balance des deux flux de rayonnement. Les bassins échangeraient en moyenne plus de 250 W/m2 ; le maximum de transfert de chaleur correspondant au printemps et à la période estivale. Enfin, l'analyse de sensibilité du modèle nous a permis de mettre en évidence la contribution de chacun des termes intervenant dans le calcul de ce bilan thermique et de révéler sa dépendance vis-à-vis principalement de la température d'entrée, du rayonnement solaire et de la température de l'air.

Ce travail concerne l'etude stationnaire et transitoire d'un ecoulement laminaire de convection naturelle le long d'une surface plane verticale chauffee a temperature ou a flux impose. Nous avons etudie, par methode differentielle, le comportement d'un fluide apres un echelon positif (echauffement) et/ou negatif de flux (relaxation). Apres un echauffement nous avons observe que les champs de temperature et de vitesse subissent un depassement de la valeur stationnaire, pendant un court instant. Dans le cas d'une relaxation les epaisseurs de couches limites dynamique et thermique ne diminuent pas a mesure que le temps croit mais restent constantes avant de s'evanouir. Nous avons aussi montre que le transfert de chaleur est optimum lorsque le fluide, initialement au repos, est soumis a des creneaux consecutifs de flux du type sur-echauffement suivi d'un sous-echauffement. Les frequences de chauffage et de relaxation doivent alors etre choisies de facon a ce que l'ecoulement reste toujours conductif. Nous avons ensuite resolu les differents systemes d'equations grace a la methode integrale de karman-pohlhausen, les profils de vitesse et de temperature etant approche par des polynomes d'ordre 4. Nous avons montre que le rapport des epaisseurs des couches limites thermique et dynamique ne depend que du fluide considere aussi bien en regime stationnaire, que transitoire. Nous avons aussi montre que les evolutions temporelles du debit de fluide deplace et du coefficient d'echange se scindent en deux classes correspondant aux gaz et aux liquides. Enfin nous avons visualise par tomographie laser un ecoulement d'eau le long d'une paroi verticale, et grace a un appareil photographique numerique nous avons donne differentes vues de l'epaisseur de la couche limite dynamique depuis l'instant ou elle se cree jusqu'a ce qu'elle atteigne son regime etabli.

L'objectif de cette thèse est le développement; d’un modèle simplifié caractérisant le transfert thermique aux parois d’une chambre de relais enterrée et soumise aux variations du flux solaire. Dans un premier temps, la chambre de relais est simplifiée au cas d’une cavité contenant une source de chaleur. Cette configuration est alors caractérisée par une étude expérimentale puis numérique. L'étude expérimentale est basée sur l'utilisation de deux fluides de travail, l'air et l’eau, permettant d’étudier deux nombres de Rayleigh pour une même maquette. Dans une deuxième partie, une étude numérique paramétrique permet de caractériser l'évolution de la structure de l'écoulement et du transfert thermique en fonction des principaux paramètres caractéristiques. De cette partie, on déduit un ensemble de corrélations qui seront introduites dans le modèle simplifié. La dernière partie, porte sur le développement du modèle simplifié.

Cette thèse est une contribution à l'étude des transferts naturels doublement diffusifs. Dans une première partie, les mécanismes de destratification par convection naturelle en cavité dans des fluides présentant des gradients de température et de concentration sont étudiés. A cet effet, un code de calcul est développé permettant de résoudre les équations descriptives des mouvements générés par des transferts simultanés de masse et de chaleur (équations de conservation de la masse, de l'énergie, de la quantité de mouvement et des espèces diffusantes). L'évolution temporelle des différentes variables rend compte de ces mécanismes de destratification. Des simulations numériques sont effectuées afin de comprendre l'influence de la nature du fluide (caractérise par les nombres de Prandtl et de Schmidt), celle de l'allongement de la cuve, des conditions aux limites et des conditions initiales (type de stratification, écart de température et de concentration). A cette étude théorique fait suite une étude expérimentale qui permet de visualiser, au moyen soit d'une tranche laser, soit de colorant, les écoulements dans des cuves rectangulaires; un système d'acquisition des températures et des concentrations fournit des profils verticaux de ces variables dans la cavité. Dans une seconde partie, le code de calcul est applique à des stockages de gaz naturel liquéfié (GNL) de façon à prédire le temps de retour à l'équilibre lorsque la stratification initiale est instable.

Cette thèse est une contribution à l'étude des tranferts par convection naturelle laminaire stationnaire dans une cavité contenant un ou plusieurs obstacles. A cet effet un code de calcul est développé permettant de résoudre les équations descriptives des mouvements (équations de conservation de la masse, de l'énergie, de la quantité de mouvement). Des simulations numériques sont effectuées sur quelques configurations bidimentionnelles. Une étude paramétrique systématique sur tous les paramètres définissant de telles géométries n'étant pas envisageable. Nous avons donc restreint notre travail à l'étude le l'influence de certains d'entre eux sur l'écoulement et le transfert thermique dans le cas de cavité remplie d'air (Pr = 0. 71). Ainsi nous avons retenu le nombre de Rayleigh mais aussi la localisation de la plaque dans le cas d'une plaque à l'interieur d'une cavité carrée et l'espace libre au dessus des palques dans le cas d'une cavité de faible allongement contenant plusieurs plaques. Pour la plupart des ces configurations nous avons envisagé plusieurs combinaisons de conditions aux limites thermiques sur les plaques et les parois de la cavité. Pour ces différentes combinaisons de conditions aux limites thermiques (temprérature imposée au flux imposée), nous proposons dans le cas d'une plaque mince et verticale placée au centre d'une cavité carrée, des corrélations du nombre de Nusselt moyen calculé sur une face verticale de la plaque en fonction du nombre de Rayleigh évalué avec la hauteur de la plaque. Nous présentons les premiers résultats de simulation du couplage convection naturelle-rayonnement dans le cas d'une cavité isotherme emplie de CO2 et contenant une plaque isotherme, la tempréture de référence étant fixée à 600 K. Nous mettons en évidence l'effet non négligeable du rayonnement du gaz sur le champ de température dans le cas de ses simulations.

L'objet de la presente etude est de proposer une nouvelle methode de simulation numerique des ecoulements de convection naturelle dans les thermosiphons. La motivation de ce travail est l'utilisation de cette methode passive de refroidissement a l'habitat. Dans cette optique, nous avons opte pour une methode mixte de discretisation spatiale: collocation tchebychev associee aux methodes hermitiennes d'ordre 4. Le probleme de la cavite carree differentiellement chauffee a servi de test de fiabilite de l'algorithme semi-implicite que nous avons developpe pour resoudre les equations de boussinesq-oberbeck en variable primitive. L'algorithme de permeabilite fictive est utilise afin d'assurer l'incompressibilite. Une seconde etape de validation est menee pour le canal chauffe symetriquement a flux fixes en recherchant simultanement les meilleures conditions aux limites aux ouvertures du canal. L'etude complete des cinq situations extremes de chauffage des plaques a alors ete entreprise. A l'issue de celle-ci, nous proposons une nouvelle description de l'effet cheminee. Le renversement de l'ecoulement ascendant est etudie en precisant son seuil d'apparition, celui-ci correspond a une bifurcation supercritique. De plus, dans ce contexte, des phenomenes instationnaires ont ete observes. Ces derniers sont lies a une competition entre le developpement de la couche limite et celui de la largeur de la zone de renversement. Cette competition est caracterisee par une ejection periodique de la zone de recirculation

Les ecoulements crees par un ecart de temperature entre les cylindres et (ou) par la rotation du cylindre interne d'une cavite annulaire horizontale remplie d'air (pr 0,7) ont ete etudies numeriquement. Les equations de conservation ont ete resolues par la methode des volumes finis. En convection naturelle, on a d'abord suppose une structure 2d loin des couronnes fermant l'espace annulaire. Sous cette hypothese, verifiee experimentalement pour des cavites de faible rapport des rayons (r < 1,23), l'ecoulement a ete calcule pour 1,04 r 1,20 lorsque ra 3000. On a montre que l'ecoulement de base, caracterise par deux cellules en forme de croissant, devient thermiquement instable au dela d'un nombre de rayleigh critique, des rouleaux convectifs se formant au sommet de la couche annulaire. Deux branches supercritiques sont stables et chacune d'elles se caracterise par le sens de la vitesse dans le plan de symetrie superieure. Le mecanisme de formation des rouleaux convectifs est explique. On a obtenu une correlation donnant le nombre de rayleigh critique en fonction du rapport des rayons. En convection naturelle, les ecoulements dans des espaces fermes de courte longueur ont ete etudies en modelisation 3d pour r = 1,20 et ra 5000. Pour a = 4, on a situe le seuil d'amplification d'une structure en helice (premier seuil d'instabilite) et le seuil d'apparition de structures oscillantes (second seuil d'instabilite). En convection mixte, on a considere une cavite d'allongement a = 12 et de rapport des rayons r = 5/3 lorsque gr 6000, pour re = 20 ou 90. Des structures stationnaires sont observees dans le domaine d'amplification des instabilites thermiques et dans le domaine d'amplification des instabilites dynamiques. Dans le domaine d'amplification des instabilites dynamiques et thermiques, les ecoulements deviennent oscillants. Le transfert de chaleur entre cylindres est etudie pour ces differents regimes d'ecoulements

Ce travail de thèse traite des modifications de l’écoulement et des transferts de chaleur en convection naturelle. La configuration retenue est celle de la cavité différentiellement chauffée de rapport de forme 4. Les modifications sont réalisées au moyen d’une perturbation locale de faible étendue spatiale positionnée sur la paroi chaude pour une valeur du nombre de Raleigh se situant autour de la valeur critique correspondant à la transition d’un état stationnaire à une état instationnaire. Deux études complémentaires ont été menées. Une étude numérique préliminaire a été réalisée, dans laquelle une perturbation d’origine thermique a été introduite sous la forme d’un changement local de la température imposé sur la paroi isotherme. Il a été montré que l’on peut changer le régime d’écoulement depuis un état stationnaire vers un état instationnaire. De plus, les transferts de chaleur peuvent être modifiés de façon significative par un choix approprié des paramètres de la perturbation (fréquence, amplitude et position). Une étude complémentaire sur un dispositif expérimental a été conduite avec le positionnement d’un obstacle cylindrique sur la paroi chaude. Deux types d’obstacles ont été choisis : isolant et conducteur. L’impact sur la thermique et la dynamique de la longueur de l’obstacle,de sa position verticale, du nombre de Rayleigh de l’écoulement ou encore du nombre d’obstacles introduits a été analysé dans le plan vertical à mi- profondeur
This thesis deals with the modifications of heat transfer and fluid flow in natural convection. The configuration chosen is a differentially heated cavity of aspect ratio equal to 4. The modifications are achieved using a small spatial extent disturbance located at the hot wall at a Rayleigh number value close of the critical value corresponding to the transition from steady to unsteady state. Two complementary studies were conducted. A preliminary numerical study was carried out, in which a thermal disturbance was introduced by means of a local change of the imposed temperature at the isothermal wall. It was shown that the flow regime can be changed from a steady state to an unsteady one. In addition, the heat transfers can be significantly modified by an appropriate choice of disturbance parameters (frequency, magnitude and location). An additional study, using an experimental device, was conducted by positioning a cylindrical obstacle on the hotwall. Two types of obstacles were chosen : insulating and conductive. The influence on heat transfers of the length of the obstacle, its vertical location, the Rayleigh number ofthe flow as well as the number of obstacles was analyzed in the vertical mid-depth plane

Ce travail comporte quatre parties. Dans la première partie, nous rappelons le formalisme du transfert radiatif dans les milieux semi-transparents. Une étude comparative de plusieurs méthodes de résolution de l'équation du transfert radiatif est proposée. L'approximation différentielle bidimensionnelle Pl est alors retenue pour l'étude des cas de couplage rayonnement - convection. L'interaction de la convection naturelle et du rayonnement dans un milieu poreux bidimensionnel constitue la deuxième partie de ce travail. Le modèle radiatif est associé à un schéma de différences finies qui permet de résoudre les équations de la convection sur la base de l'hypothèse de BOUSSINESQ et de la loi de DARCY. L'interaction est caractérisée par des paramètres adimensionnels dont l'étude permet de mieux appréhender les rôles des différents modes de transfert. Dans la troisième partie, nous étudions l'interaction de la convection naturelle et du rayonnement au sein d'un fluide semi-transparent bidimensionnel. Nous présentons une étude paramétrique dans le cas d'un fluide gris à diffusion isotrope avant de traiter le cas du milieu non gris. Un couplage beaucoup plus complexe est abordé dans la quatrième partie. Il s'agit de l'interaction convection naturelle-rayonnement dans une cavité partiellement occupée par un milieu poreux semi-transparent, sans interface opaque et imperméable séparant les deux milieux. Une condition limite radiative est proposée. Les équations de la convection sont modélisées à l'aide d'une combinaison de l'équation de NA VIER-STOKES et celle de BRINKMAN. Le rôle de divers paramètres est analysé. La présence de l'interface perméable et non-opaque contribue à modifier profondément les champs thermiques et dynamiques
This work includes four parts. In the first part, we explain the formulation of relative transfer in a semitransparent media. A comparative study for several calculation methods for the radiative equation is proposed. The P1 approximation in a two-dimensional form is them retained for modelling heat transfer coupled by radiation and convection. In the second one, we analyse the interaction between thermal radiation and natural convection within a two-dimensional porous medium. The radiative model is associated with a finite difference scheme which allows to solve convective equations described by Darcy's law and Boussinesq approximation. The study of dimensionless parameters which govern this interaction provides a better understanding of roles played by each mechanism of transfer. In the third part, the interaction between natural convection and thermal radiation in two-dimensional semi-transparent fluid has been investigated. Before analysing the case of non-grey medium we expose a parametric study for a grey fluid isotropic scattering. The last part deals with a much more difficult coupled problem. We consider the interaction between natural convection and thermal radiation within a cavity partially filled with a porous medium. For the interface, which is permeable and non-opaque, a radiative boundary condition is proposed. The convective equation are treated with combined Navier-Stokes and Brinkman equations. The effect of main parameters has been studied. It is shown that the permeable and non-opaque interface induces a deep modification in both thermal and dynamic fields

Le couplage de la convection naturelle et du rayonnement dans un espace annulaire d'axe horizontal est etudie numeriquement le milieu participant est gris ; il absorbe, emet et diffuse isotropiquement le rayonnement. Les equations de la convection naturelle, laminaire, bidimensionnelle et permanente seront ecrites avec les variables vorticite et fonction de courant. Le modele numerique utilise la methode du volume de controle et, pour resoudre l'equation du transfert radiatif, la methode des volumes finis. Les resultats issus de notre code de calcul sont compares a ceux donnes dans la litterature. Des resultats originaux relatifs au couplage rayonnement-convection naturelle en geometries annulaires ainsi que dans des secteurs bidimensionnels sont trouves. L'influence du rayonnement sur les champs des temperatures et des vitesses ainsi que sur le transfert de chaleur est presentee et discutee pour des nombres de rayleigh inferieurs ou egaux a 2. 10#5 et pour des valeurs du parametre de couplage rayonnement-conduction variant entre zero et l'infini.