Etude préliminaire de l’influence d’un dispositif passif sur la dynamique d’un panache thermique

Vincent Daurenjou1,⋆^{1,\star}, Florian Moreau1^{1}, Didier Saury1^{1}
⋆^{\star} : vincent.daurenjou@ensma.fr
1^{1} Institut Pprime
Mots clés : Convection naturelle, turbulence, panache thermique, étude expérimentale, PIV
Résumé :

Un panache thermique est une forme d’écoulement mu par la convection naturelle. Il est généré par exemple lorsqu’un solide est plongé dans un fluide de température différente. Il correspond au mouvement ascendant ou descendant du fluide ambiant chauffé ou refroidi par le solide. On observe couramment des panaches thermiques dans de nombreux phénomènes naturels (panache mantellique, panaches de nuage, panaches hydrothermaux), de la vie courante (par exemple lorsque l’on allume une source de chaleur tel qu’un radiateur ou une plaque de cuisson) ou encore dans l’industrie (formation de panaches d’air au niveau des armoires électriques ou des serveurs informatiques …).

Le projet dans lequel s’inscrit cette étude expérimentale a pour objectif de déterminer l’influence que peut avoir l’installation d’un dispositif passif à la base d’un panache thermique sur le développement de ce dernier. Faire cela passivement serait d’une grande utilité : par exemple d’après la littérature, la mise en rotation d’un panache thermique a pour effet d’accélérer le passage au régime turbulent et donc a priori d’augmenter les échanges thermiques et le mélange avec le milieu extérieur. De plus, comme le dispositif est passif, cela lui assure une plus grande robustesse qu’un dispositif «actif» injectant de l’énergie qui serait par exemple composé de parties électroniques fragiles et sensibles aux ondes électromagnétiques. Enfin, cela est conforme aux objectifs de sobriété énergétique fixés dans le cadre de la lutte contre le dérèglement climatique.

Afin d’étudier l’influence du dispositif sur un panache thermique, une cavité cubique d’1 m^3 est utilisée. Elle est constituée de deux parois maintenues au moyen d’échangeurs à eau à la température ambiante de la pièce (T=T_amb=20∘=20^{\circ}C) dans laquelle est effectuée l’expérience. Les parois horizontales, le plafond et le plancher de la cavité sont quant à eux adiabatiques. Les parois avant et arrière sont constituées de vitres afin de permettre la visualisation. L’avantage d’une telle cavité fermée est d’empêcher d’éventuels transferts de masse avec le milieu extérieur ainsi que d’avoir un meilleur contrôle thermique des conditions aux limites. De plus, avoir une connaissance précise des conditions aux limites est nécessaire pour tester la reproductibilité de l’expérience et pour comparer avec les études numériques correspondantes. Afin de générer le panache, un cylindre en aluminium de diamètre 4cm et de hauteur 1 cm, incrusté dans un bloc d’isolant, est placé au centre du plancher de la cavité. Il est chauffé par effet Joule et sa température est controlée. Le dispositif passif est constitué de huit ailettes de dimension 40.0x20.0x2.0 mm^3$ equiréparties autour de la source et sur lesquelles un capotage est fixé de sorte à intensifier l’aspiration de l’air à la base du panache. Trois configurations sont étudiées:(i)absence du dispositif passif, (ii)le dispositif avec les ailettes orientées en direction du centre de la source et enfin (iii)le dispositif passif avec les ailettes tangentes à la source. Les champs de vitesses sont mesurés grâce à la Vélocimétrie par Images de Particules(PIV). Les résultats préliminaires mettent en évidence l’influence importante de l’inclinaison des ailettes par rapport au centre de la source sur le développement du panache.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-016

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