Etude expérimentale de la dynamique d’un écoulement de convection naturelle dans un espace confiné comportant un bloc partiellement chauffé.
Alexandre Weppe1, Florian Moreau1, Didier Saury1
⋆ : alexandre.weppe@ensma.fr
1 Institut Pprime, UPR 3346 CNRS – ENSMA – Université de Poitiers, BP 40109, F-86961 Futuroscope Chasseneuil Cedex, France
Mots clés : convection naturelle, étude expérimentale, transfert de chaleur
Résumé :
Les écoulements turbulents à effets de flottabilité dominants sont présents dans de nombreuses applications industrielles, notamment dans les secteurs du nucléaire et de l’automobile. On peut par exemple citer la problématique du refroidissement d’un compartiment moteur qui est un point essentiel dans le dimensionnement d’un véhicule. Par ailleurs, suite à un arrêt brutal du moteur après une forte sollicitation, l’intégrité du moteur doit être préservée alors même qu’il n’est plus refroidi par un écoulement externe forcé. Pour de telles situations, la convection (souvent en régime turbulent) permet d’assurer le refroidissement.
Le projet, au sein duquel s’inscrit cette étude expérimentale, a pour ambition de résoudre les problèmes rencontrés par les partenaires industriels lors de simulations d’écoulements turbulents avec effets de flottabilité dominants en espace confiné ainsi que d’améliorer la compréhension des phénomènes physiques observés pour ce type d’écoulement. En effet, jusqu’à ce jour, les modèles développés pour obtenir des temps de calculs adaptés à un contexte industriel ne rendent pas compte avec précision des interactions entre la turbulence et les effets de flottabilité.
Notre démarche a consisté à définir une configuration de référence permettant d’étudier un écoulement en espace confiné représentatif des régimes rencontrés dans le domaine automobile. Le compartiment moteur a été simplifié en une cavité cubique comportant en son sein un bloc cubique partiellement chauffé. Plusieurs études, en majorité numériques, traitent de l’influence d’un obstacle dans une cavité. House et al. (1990) ont étudié l’impact de la taille et de la conductivité d’un bloc non-chauffé au centre d’une cavité différentiellement chauffée tandis que Ha and Jung (2000) se sont intéressés plus spécifiquement au rôle d’un bloc chauffant sur les transferts de chaleur conjugués conduction/convection dans une cavité de ce type. Yang and Tao (1995) ont étudié l’influence des écoulements de convection naturelle générés par une plaque verticale chauffée dans une cavité cette fois-ci aux parois froides. Or les nombres de Rayleigh considérés, dans ces études, se situent dans le régime laminaire.
Pour notre étude, deux écoulements caractérisés par des nombres de Rayleigh basés sur la hauteur du bloc chauffant de respectivement RaH = 6, 5 108 et RaH = 1, 2 109 sont explorés. Pour obtenir ces écoulements, le bloc cubique de dimension H = Lbloc = 0.8m est chauffé sur l’une de ses faces latérales à une température Tc = 36∘C (RaH = 6, 5 108) ou Tc = 52∘C (RaH = 1, 2 109), tandis que les deux parois latérales de la cavité cubique de dimension L=1 m sont maintenues à une température Tf = 22∘C. Les parois verticales avant et arrière ainsi que les parois horizontales haute et basse de la cavité cubique sont adiabatiques.
Dans ce travail, la topologie et la dynamique des écoulements instables générés par notre bloc chauffant au sein de la cavité pour RaH = 6, 5 108 et RaH = 1, 2 109 sont quantifiées par PIV puis analysées.
[1] Ha, M.Y., and Jung, M.J. (2000). Int. J. Heat Mass Transf.
[2] House, J.M., Beckermann, C., and Smith, T.F. (1990).Numer. Heat Transf. Part Appl.
[3] Yang, M., and Tao, W.Q. (1995). J. Heat Transf.
doi : https://doi.org/10.25855/SFT2020-140
PDF : download