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Etude expérimentale des instationarités au sein d’un écoulement de convection naturelle dans une cavité cubique comprenant un obstacle partiellement chauffé

Alexandre Weppe¹, Florian Moreau^1, ⋆, Didier Saury¹
^⋆ : florian.moreau@ensma.fr
¹ Institut Pprime
Mots clés : Convection naturelle, Etude expérimentale, Instabilités
Résumé :

Les écoulements soumis à des effets de flottabilité prépondérants sont observés dans de nombreux secteurs industriels, tels que le nucléaire ou encore 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. 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 naturelle, souvent en régime turbulent, doit permettre d’assurer le refroidissement (cas dimensionnant).

Le projet ANR MONACO_2025, 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, à ce jour, les modèles RANS développés et compatibles avec des temps de calculs adaptés à un contexte industriel ne rendent pas compte avec une précision suffisante des interactions entre la turbulence et les effets de flottabilité et par conséquent les transferts sont souvent mal quantifiés.

Une configuration de référence est définie, permettant d’étudier un écoulement d’air 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 obstacle cubique partiellement chauffé sur l’une de ses faces verticales. Cet obstacle occupe plus de 50 % du volume interne disponible.

Pour cette étude, un écoulement caractérisé par un nombre de Rayleigh basé sur la hauteur du bloc chauffant Ra_H = 1, 37(±0,1) × 10⁹ est étudié. Pour obtenir cet écoulement, un obstacle cubique de dimension H³ = (0,8m)³ est placé au centre d’une cavité cubique de dimensions supérieures L³ = (1m)³. Cet obstacle est exclusivement chauffé sur l’une de ses faces verticales à une température T_c tandis que deux parois verticales et opposées de la grande cavité le contenant sont maintenues à une température T_f(=T_amb). Une des parois à T_f de la grande cavité est alors en vis-à-vis de la face de l’obstacle à T_c de sorte que l’on obtient une différence de température ΔT = T_c − T_f(=32,5°C) dans le canal chauffé. Les parois verticales avant et arrière ainsi que les parois horizontales haute et basse de la grande cavité sont adiabatiques. Les champs de vitesses sont obtenus par Vélocimétrie par Images de Particules (PIV). Ils mettent en évidence, l’émergence d’une instabilité de couche limite le long de la paroi chaude. La fréquence de cette instabilité est comparée aux résultats théoriques obtenus pour une instabilité de couche limite de convection naturelle sur plaque plane verticale isotherme. Enfin, lorsque l’écoulement issu de cette couche limite atteint le bord haut de l’obstacle un jet battant chaud est observé. La dynamique de ce dernier est analysée.