REVUE INTERNATIONALE D'HELIOTECHNIQUE ENERGIE - ENVIRONNEMENT - N° 34 (2006) p.14-15

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Etude numérique des transferts de chaleur dans des structures alvéolaires

 

Najma LAAROUSSI

 

Laboratoire d’Etude des Transferts d’Energie et de Matière

 Université de Marne-la-Vallée - Bât. Lavoisier, cité Descartes, Champs-sur-Marne, 77454 Marne-la-Vallée cedex 2, France.

 

Résumé

Le couplage entre les transferts de chaleur par conduction, convection et rayonnement dans des cavités simples ou partitionnées a suscité un très grand intérêt au cours des dernières années. En effet, dans la plupart des cas pratiques, les trois modes de transfert de chaleur sont fortement couplés lorsque l’air, ou de façon plus générale un gaz, est le fluide en mouvement. L’étude de la structure des écoulements et du transfert de chaleur dans les systèmes alvéolaires est donc importante, tant au niveau fondamental que pour l’optimisation de leurs propriétés thermiques.

 

Depuis le début de la préparation de la thèse intitulée « Contribution à la simulation numérique des transferts de chaleurs couplés dans des structures alvéolaires », cet aspect a été examiné pour de nombreuses configurations géométriques, 2D ou 3D, en régime transitoire et en régime stationnaire. Ces simulations, dont une partie a permis de valider le code de calcul que nous utilisons, ont conduit à la rédaction de la première moitié du mémoire de thèse.

 

Après avoir introduit les hypothèses et les systèmes d’équations qui seront résolues (convection naturelle sous l’hypothèse de Boussinesq pour un fluide à propriétés physiques constantes, fluide à viscosité et conductivité thermique dépendantes de la température - eau par exemple – approximation faible Mach, calcul des échanges par rayonnement…), les méthodes numériques utilisées sont décrites et testées sur des configurations classiques dans le second chapitre. Les maillages structurés utilisés comportent jusqu’à 10⁵ mailles non uniformes. Notons ici qu’une partie des tests numériques a été réalisée pour des configurations non encore publiées dans la littérature (thèses non encore soutenues, articles sous presse qui ont été  soumis à l’expertise de mon Directeur de thèse …). Des simulations numériques de la convection naturelle en régime transitoire sont ensuite discutées. Une grande attention a été portée à la méthode d’intégration temporelle et nous montrons que la valeur du nombre de Courant (CFL) doit être choisie avec beaucoup de soin pour suivre le régime transitoire. Une très bonne convergence vers le régime stationnaire peut en effet être obtenue mais en augmentant, ou diminuant, la durée réelle des transitoires fournies par des expérimentateurs. Cet aspect est plus important lorsque les simulations numériques ont pour finalité de reproduire une expérience que lorsqu’il s’agit de suivre les oscillations d’un régime périodique ou quasi-périodique, par exemple en régime laminaire instationnaire entretenu ou faiblement chaotique.

 

Des simulations numériques de structures alvéolaires 2D et 3D sont ensuite discutées. Dans ces structures remplies d’air à température ambiante (typiquement 20 K autour de 300K), nous montrons que les échanges de chaleur par rayonnement entre les parois fermant une alvéole contribuent fortement aux échanges de chaleur. Ces calculs trouvent une application immédiate pour les parois creuses utilisées dans la construction des bâtiments : double vitrages (ventilés ou scellés), briques creuses, parpaings, hourdis…

 

La suite de ce travail de thèse portera sur l’étude de la condensation/évaporation de vapeur d’eau dans ces structures qui ne sont jamais remplies d’air sec. Si la température de l’une des parois tombe en dessous de la température de rosée correspondante à l’humidité relative de l’air emprisonné dans une alvéole,  la vapeur d’eau condense et ce phénomène contribue au transfert de chaleur global. L’eau condensée s’évapore ensuite lorsque les conditions thermiques sur les parois extérieures évoluent. Cette partie nécessitera d’introduire une modélisation mathématique des transferts de chaleur par condensation. A cette fin, nous nous appuierons  sur les travaux réalisés par plusieurs équipes de recherche, notamment celles qui travaillent sur ce thème dans le cadre du réseau AmETh.