Modélisation de la convection externe autour des structures éphémères - Construction d'un modèle compact pour la convection naturelle et la convection forcée

Les structures éphémères sont généralement chauffées par des générateurs d'air chaud alimentés au fioul. Le projet Vers un Ephémère Durable est subventionné par le programme Alternatives Vertes pour les Industries Culturelles et Créatives et vise à réduire les émissions carbone de ces structures. Ces structures n'étant pas isolées par nature, les pertes thermiques par convection externe constituent un poste majeure qu'il convient de modéliser finement afin d'étudier le comportement thermique de l'ensemble. En fonction des conditions extérieures de température et de vent, la convection externe peut s'établir en différents régimes, de la convection naturelle à la convection forcée, en passant par de la convection mixte. Le problème est donc étudié au moyen d'analyse CFD 3D sous l'environnement Ansys Fluent. Les modélisations sont stationnaires avec le modèle de turbulence k-omega SST. Deux structures sont étudiées : un chapiteau de diamètre au sol de 37m et d'environ 6800m3 de volume intérieur, et une structure plus petite en losange de 176m2 au sol et 739m3 de volume intérieur. Pour chaque structure, la convection est d'abord étudier en régime de convection naturelle (variation de la différence de température entre la paroi et l'extérieur à faible vitesse de vent) ou en régime de convection forcée (variation de la vitesse de vent à faible écart de température). Pour la structure en losange, la convection forcée dépend également de la direction du vent. Pour une vitesse de vent donnée, des calculs sont donc également effectués avec une variation de la direction par pas de 10deg. Les corrélations unitaires du nombre de Nusselt avec le nombre de Rayleigh (convection naturelle) ou avec le nombre de Reynolds (convection forcée) sont vérifiées. Ensuite une troisième série de calculs permet d'effectuer des variations croisées Rayleigh/Reynolds et des corrélations compacts (équation mathématique continue unique) sont établies pour chacune des structures. Enfin, les corrélations obtenues en convection naturelle seront comparées aux modèles théoriques basés uniquement sur la définition géométrique des formes afin de conclure sur la possibilité d'extrapoler les résultats à des formes de structures quelconques.

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