Simulation numérique des échanges convectifs dans une cavité

Abstract

Dans le cadre de la maîtrise et de la conservation de l’énergie, beaucoup de pays et d’industriels se sont engagés par des traités internationaux afin d’atteindre des objectifs communs de réduction de la consommation énergétique dans les principaux secteurs consommateurs. L’un des axes les plus prisés ces dernières années, pour atteindre cet objectif d’économie d énergie, est l’amélioration des performances thermiques des équipements et processus industriels, qui préconisent un apport ou une évacuation d’énergie sous forme de chaleur pour assurer un fonctionnement entretenu et une augmentation de leur durée de vie, d’où l’importance de maitriser les aspects du transfert de chaleur sous ses différents modes, et de contribuer à leur amélioration. En raison de l’importance qu’ils présentent dans la pratique industrielle et dans notre quotidien, les transferts de chaleur par convection naturelle dans les cavités ont fait l’objet de nombreuses investigations. En effet, ce type de convection est présent dans de nombreux systèmes et processus industriels ; par exemple les systèmes thermiques solaires, les systèmes de refroidissement des circuits électroniques et des réacteurs nucléaires, les bâtiments et, plus précisément, l’isolation de parois opaques ou vitrées. La convection naturelle est un phénomène de transfert thermique entre un solide et un fluide de températures différentes qui se traduit par une diffusion de chaleur entre les deux milieux. Les gradients de températures ainsi créés au niveau du fluide se traduisent par des gradients de masse volumique qui provoquent une poussée verticale (poussée d’Archimède) générée par une dilatation locale du fluide. Etant donné que le champ de vitesse dans le fluide dépend de son champ de température, la convection naturelle est le siège d’un couplage des problèmes mécaniques et thermiques qui doivent être résolus simultanément et qui sont influencés par les propriétés thermodynamiques du fluide, les écarts de températures et la géométrie des systèmes concernés. Dans le présent travail, nous nous intéressons à l’étude de la convection naturelle dans les cavités ouvertes. Pour cela nous nous proposons d’analyser l’influence de quelques paramètres dynamiques et thermo physiques sur la structure de l’écoulement, et les distributions de température et de vitesse. Dans le premier chapitre, des définitions et notions fondamentales relatives à la convection naturelle dans les cavités, ainsi qu’une revue bibliographique, permettant de positionner le présent travail par rapport aux différentes études antérieures, ont été présentées. La formulation mathématique du problème physique, basée sur les équations de la conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de la conservation de l’énergie, est abordée dans le deuxième chapitre, avec mise sous forme adimensionnelle de ces équations. Le cas de figure considéré, est celui d’une cavité rectangulaire ouverte, avec différentes configurations et dimensions des ouvrants. Le troisième et dernier chapitre, est consacré à la simulation du problème avec le code fluent. Dans la première partie de ce chapitre, nous présentons le code de calcul Fluent, puis en seconde partie, nous donnons les résultats des simulations en les exprimant sous la forme de courbes représentatives des lignes de courant, des vitesses et des isothermes.