IV.3.2 Etude du champ dynamique pour quatre nombres de
Rayleigh
En ce qui concerne le champ dynamique de l'écoulement,
le Rayleigh modifie de manière qualitative et quantitativement celui-ci.
Si l'on maintient entre les parois actives des différences de
température, on peut voir la présence du jet pariétal au
plafond et la formation d'un écoulement secondaire dans la partie haute,
d'un écoulement « retour » en bordure de la couche limite
chaude, des couches limites dynamiques en développement le long des
parois actives.
Ra = 2,79 x 107
Ra = 1,04 x 107
Ra = 3,14 x 107 Ra = 3,94 x 107
Figure 37 : champs dynamiques de
vitesse pour les 4 valeurs du Rayleigh
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une enceinte à paroi chauffé »
La remarque est la même que sur le champ thermique de
température observe plus, plus le Rayleigh est élevé, plus
la couche limite dynamique tarde à décoller de la paroi. Les
profils au coeur de la cavité le démontrent aisément.
Cette cartographie du module de la vitesse moyenne nous donne
de constater que les vitesses les plus importantes sont localisées dans
les couches limites verticales, toutefois il convient de souligner que
l'intensité du mouvement est particulièrement faible : le maximum
de vitesse ne dépasse pas 14% de la vitesse de référence
de convection.
Les profils de la composante verticale de la vitesse moyenne
dans les couches limites chaude et froide sont tracés respectivement sur
la Figure 38 a et b.
a b
Figure 38 : profils des
composantes verticales a mi-largeur (a gauche) et a mi-hauteur (a
droite)
de la vitesse
L'examen de la figure 38 montre que la vitesse maximale du jet
pariétal au voisinage du plafond à mi largeur est pratiquement la
même quelles que soient les quatre configurations (l'écart relatif
est inférieur à 6%).
On peut dire que le niveau de turbulence a tendance à
décroitre lorsqu'on remonte le long du mur chaud (inversement au niveau
du mur froid). Toutefois l'intensité de turbulence dans la couche limite
chaude et froide reste élevée ; on trouve à la cote Z=0,70
une intensité de turbulence maximale de l'ordre de 27%. En suivant la
direction horizontale de l'écoulement le long du plafond, on enregistre
également un niveau de turbulence assez élevé allant
jusqu'à 24% à Y=y/H=0,06 du mur chaud. En effet, l'interaction
entre l'écoulement principal et l'écoulement secondaire
génère une zone de cisaillement, qui, associée à
l'impact de l'écoulement principal sur le plafond
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pourraient expliquer ce niveau de turbulence. Les fluctuations
de vitesse sont faibles à mi largeur au plafond, d'où une
intensité de turbulence relativement faible. Ensuite l'impact du jet
pariétal sur la paroi froide va accroître les fluctuations,
augmentant ainsi l'intensité de turbulence en aval du jet.
D'une manière générale le cheminement du
fluide dans la cavité pour les trois configurations
étudiées est similaire. Cet écoulement est
caractérisé globalement par : la présence d'une couche
limite ascendante le long de la paroi chaude et d'une couche limite descendante
le long de la paroi froide reliée entre elles par un jet pariétal
au plafond et au plancher ; la présence au plafond, d'une recirculation
dans une zone de circulation secondaire, à contre courant de la zone de
circulation principale qui la jouxte et qui s'étend sur toute la largeur
de l'enceinte. La présence d'un écoulement secondaire descendant
à la frontière de la couche limite chaude, alimentant la couche
limite froide en partie haute de la cavité et la couche limite chaude en
dessous.
IV.4 Influence du rayonnement de surface sur
l'écoulement de convection naturelle turbulente
Depuis quelques décennies le paramètre de
stratification thermique constitue un point de divergence entre les
expérimentateurs et les numériciens qui étudient la
convection naturelle en espace confiné. Si expérimentalement, la
valeur obtenue se situe autour de 0,5, les calculs qui traitent des
configurations idéales (parois passives adiabatiques) prédisent
une valeur proche de l'unité. La prise en compte du rayonnement de
parois par certains auteurs (Salat J. et al., 2004), (Wang H. et al., 2006) a
modifié de façon notable la stratification thermique. Une
étude expérimentale dont le but est de déterminer
l'influence du rayonnement de parois sur la stratification thermique dans une
cavité à haut nombre de Rayleigh a été menée
dans un premier temps
Des mesures de température sont ainsi faites à
mi largeur, dans le plan médian et sur toute la hauteur de la
cavité. Un profil vertical est établi pour deux écarts de
températures de 3 et 8 10 K, soient respectivement des valeurs du nombre
de Rayleigh de 1,04 x 107 et 2,79 x 107.
IV.4.1 Etude du champ thermique
Afin d'étudier l'influence des parois « passives
» sur le champ thermique, les profils verticaux de température dans
les couches limites chaude et froide établis dans le cas où les
parois passives sont non émissive (å= 0) et dans le cas où
elles ont une émissivité faible (å= 0,20) sont
comparés un à un sur la figure 39.
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Ra = 2,79 x 107
Ra = 1,04 x 107
Figure 39 : contour de
temperature dans la cavité avec emissivité des parois
passives
Le rayonnement volumique seul fait apparaître deux
nouvelles zones de recirculation dans les coins (en haut à gauche et en
bas à droite), au détriment des ressauts hydrauliques
observés en convection pure. Le même cas a été
observé par (Djanna F., 2011).
La figure 39 montre que le rayonnement de parois accentue
encore l'affaiblissement des zones de recirculation à proximité
des parois actives et modifie considérablement la structure de
l'écoulement, avec l'apparition de nouvelles zones de recirculation en
parties amont des couches limites chaude et froide. On peut aussi observer une
distorsion de la zone de recirculation au voisinage des parois actives avec une
tendance plus forte à alimenter la couche limite opposée.
Figure 40 : comparaison des profils
de température en paroi basse et haute avec émissivité de
paroi et sans émissivité
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On peut remarquer que, dans tous les cas, l'augmentation de
l'émissivité fait baisser le paramètre de stratification.
Ceci peut en partie s'expliquer par les échanges radiatifs entre les
parois haute et basse qui tendent à uniformiser les écarts de
température entre ces deux parois, réduisant ainsi la
stratification. Ceci est observé sur tous les essais
réalisés.
En prenant le cas Ra = 1,04 x107, le
paramètre de stratification passe de 0,33 dans le cas sans rayonnement
des parois passives à 0,40 avec rayonnement (E= 0,20) soit une
diminution d'environ 32%. Ce résultat est à rapprocher de celui
obtenu par (Djanna F., 2011) qui présente une diminution de l'ordre de
34 % lorsque l'émissivité des parois avant et arrière
passe de 0,10 à 0,95, mais à une valeur de Rayleigh plus
élevé.
Des mesures de température ont été
effectuées dans les couches limites ascendante et descendante à
différentes altitudes (de Z=0,30 à Z=0,95). Les profils sont
représentés sur la figure 41 pour ces différentes
élévations.
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Figure 41 : profils de temperature
a mi profondeur et a mi largeur de la cavitee.
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Il ressort que la centro-symétrie est conservée
en convection pure et en rayonnement de surface. En revanche, le rayonnement
surfacique semble déplacer légèrement l'écoulement
dans toute la cavité, même si les différences
observées restent faibles. La figure 42 montre que le rayonnement
volumique diminue également la stratification thermique au coeur de la
cavité, mais dans une mesure moindre par rapport à ce qui est
observé avec le rayonnement de surface.
Figure 42 : densité de
flux net radiatif en paroi basse et haute pour les deux valeurs de dt (3 et
8)
D'emblée on peut relever que le flux de chaleur
pariétal augmente avec l'écart de température et donc,
avec le nombre de Rayleigh. Cette représentation nous permet de mieux
caractériser les différents régimes d'écoulement au
sein de la cavité en fonction du nombre de Rayleigh local.
Il ressort de notre étude que la partie centrale de
cette cavité est stratifiée en température. De plus, Une
investigation portant sur la contribution du rayonnement de parois à
parois à la stratification thermique a été soigneusement
menée et montre que la prise en compte du rayonnement est incontournable
pour l'évaluation correcte des champs de température dans la
cavité. On remarque qu'en baissant l'émissivité des parois
de 0,6 à 0,1, le paramètre de stratification augmente de 0,41
à 0,54 soit de 25% environ pour un Ra = 1,2×10 11. En effet le
rayonnement intensifie les écoulements secondaires dans la
cavité, ce qui génère un mélange plus important de
fluide, par conséquent la température est beaucoup plus
homogène dans le coeur réduisant ainsi la stratification
thermique. Toutefois, bien que le rayonnement de paroi induise une modification
de la stratification thermique, la centro-symétrie reste
conservée.
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