Étude de la convection pure

Pour cette partie, on a étudié le transfert de chaleur convectif dans le cas de la serre tunnel à pieds droit en présence de la plante dans le but est de voir l’effet des conditions aux limites sur la variation des paramètres climatiques internes à la serre.

Pour cela, les lignes de courant sont représentées dans la figure ci-dessous pour un flux de chauffage de 100 W/m2_{et pour les deux cas de conditions aux limites.}

Pour le cas des pertes thermiques au toit exprimées sous forme de flux convectif, le mouvement de l’air est caractérisé par deux grandes et deux petites cellules situées de part et d’autre de la rangée de plantes, ces cellules traversent la végétation.

Cette circulation d’air est similaire à celle dans le cas de la serre tunnel cultivée.

(b)

Figure 29. Lignes de courant dans le cas de la serre tunnel à pieds droits avec plantes:

(a) pertes convectives (b) Pertes mixtes

Le mouvement du fluide est dû à une différence de densités causée par une différence de températures ou un faible débit d’air traverse la rangée de plantes qui est considérée comme milieu poreux.

Dans le cas des pertes thermiques mixtes imposées au toit, deux grandes cellules se développent et occupent le domaine de calcul entier. Ces cellules sont régulières et leur taille est supérieure au cas où les pertes thermiques convectives sont appliquées à la couverture de la serre.

Ces boucles sont positionnées d’une façon symétrique par rapport à l’axe passant par le centre de la serre, ceci est dû à la position dans la serre des tubes de chauffage et la rangée de plantes. Plus on augmente la densité de chauffage plus le fluide devient accéléré.

La composante de vitesse suivant l’axe vertical est donnée dans la figure suivante, on constate que le profil de vitesse est symétrique par rapport à la rangée de plantes et elle diminue chaque fois quand on se rapproche de la paroi de la serre.

(a)

(b)

Figure 30. Variation de la composante verticale de la vitesse dans le cas de la serre tunnel à

pieds droits avec plantes : (a) pertes convectives

(b) Pertes mixtes

Le type de condition aux limites influe directement sur la structure de l’écoulement à l’intérieur de la serre, donc il est nécessaire de choisir une condition aux limites plus réaliste. Pour une hauteur donnée en haut de la serre, on a essayé de déterminer la variation de la composante de la vitesse suivant l’axe Oy, cette variation est donnée dans la figure ci-dessous (figure 31) pour les deux types de conditions aux limites.

La variation de cette composante de vitesse est reliée au mouvement du fluide ou on a de part et d’autre de la rangée de plantes deux cellules de recirculation.

Dans la région extérieure au milieu poreux, la vitesse augmente en allant de la région des parois pour atteindre un maximum proche du milieu poreux ensuite, elle diminue à l’intérieur de la rangée de plantes. Cette variable est symétrique par rapport au plan passant par le centre de la serre. -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 -0,06 -0,04 -0,02 0,00 0,02 0,04 0,06 V it e s s e s u iv a n t Y (m /s ) Position (m) (a) -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 -0,10 -0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 V it e s s e s u iv a n t Y (m /s ) Position (m) (b)

Figure 31. Profil de la composante verticale de la vitesse dans le cas de la serre tunnel à pieds

droits avec plantes: (a) pertes convectives

Le fluide est accéléré dans le cas des conditions aux limites mixtes par rapport aux conditions aux limites convectives.

La variation de température sous forme d’isothermes est représentée dans la figure ci-dessous (figure 32) pour les deux cas de conditions aux limites, on remarque que les gradients de températures sont remarquables dans le cas des pertes thermiques vers l’extérieur exprimées comme flux mixte et les isothermes suivent la paroi de la serre d’une façon meilleure pour le deuxième type de pertes thermiques vers l’extérieur.

Ces gradients diminuent de plus en plus en augmentant la densité de flux de chauffage.

Dans le cas où l’intensité de chauffage devient importante, les forces de flottabilité augmentent, donc le fluide interne à la serre devient accéléré et par conséquent la quantité de chaleur extraite aux tubes est significative.

(b)

Figure 32. Variation de la température dans le cas de la serre tunnel à pieds droits avec

plantes:

(a) pertes convectives (b) Pertes mixtes

6.2. Étude de la convection couplée au rayonnement

De la même façon que le cas de la serre tunnel, on a étudié le transfert de chaleur couplé (convection plus rayonnement) dans la serre à pieds droits en présence d’une rangée de plantes sous la condition des pertes thermiques vers l’extérieur exprimées comme flux convectif. Pour voir l’effet maximal du rayonnement sur le transfert thermique interne à la serre, on a supposé les différentes parois comme corps noirs.

La figure 33 donne l’allure des lignes de courant dans le cas des pertes thermiques convectives et couplées vers l’extérieur.

(b)

Figure 33. Lignes de courant dans le cas de la serre tunnel à pieds droits avec plantes :

(a) Cas des pertes thermiques convectives (b) Cas des pertes thermiques couplées

Pour la circulation d’air, on se trouve avec deux grandes et deux petites cellules qui traversent la plante. Cette circulation est similaire à celle de la serre tunnel.

Dans le cas du transfert couplé et en considérant le deuxiéme type de pertes thermiques vers l’extérieur (condition aux limites mixtes), le mouvement d’air est caractérisé par deux grandes cellules qui travesent la rangée de plantes et qui occupent le domaine de calcul entier. Dans ce cas, l’allure des lignes de courant est semblable au cas de la serre tunnel avec plantes.

La présence de la rangée de végétation affecte le mouvement d’air et le transfert de chaleur à l’intérieur de la serre et le transfert radiatif est considérable quant la puissance de chauffage est importante.

(a)

(b)

Figure 34. Composante verticale de la vitesse dans le cas de la serre tunnel à pieds

droits avec plantes :

(a) Cas des pertes thermiques convectives (b) Cas des pertes thermiques couplées

La composante verticale de la vitesse est représentée dans la figure ci-dessus. On constate que cette variable est symétrique par rapport à la rangée de plante, elle est moins importante dans la rangée de plantes (milieux poreux) et elle diminue en se rapprochant des parois de la serre. A une hauteur donnée en haut de la serre, on a tracé le profil de la composante verticale de la vitesse, on constate qu’elle garde toujours la meme forme qu’avant.

Elle augmente en allant des parois de la serre vers le milieu poreux, ensuite elle diminue à l’intérieur de la rangée de plantes.

Ce profil est symétrique par rapport au plan vertical passant par le centre de la serre. -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 -0,06 -0,04 -0,02 0,00 0,02 0,04 V it e s s e s u iv a n t Y (m /s ) Position (m)

Figure 35. Profile de la composante verticale de la vitesse dans le cas de la serre

tunnel à pieds droits avec plantes : Cas des pertes thermiques couplées

Ce profil suit la meme allure dans le cas des pertes thermiques convectives.

Dans le cas de la convection couplée au rayonnement et pour des pertes thermiques vers l’extérieur exprimées sous forme de flux mixte, les gradients de température sont significatifs relativement au de la convection pure. En augmentant la puissance de chauffage, ces gradients diminuent et la serre devient isotherme sauf au voisinage des tubes de chauffage.

(b)

Figure 35. Variation de la température dans le cas de la serre tunnel à pieds droits

avec plantes :

(a) Cas des pertes thermiques convectives (b) Cas des pertes thermiques couplées

L’introduction du rayonnement influe sur les isothermes, celles-ci suivent les frontières du domaine de calcul et elles le suivent d’une façon meilleure dans le cas des pertes thermiques mixtes vers l’extérieur (c’est la même remarque qu’avant).

En introduisant le rayonnement thermique et pour les pertes thermiques mixtes, on constate que le transfert thermique par conduction à l’intérieur de la serre se présente pour cette densité de flux imposée aux tubes, ceci est dû aux pertes thermiques vers l’extérieur qui sont considérables.

Le transfert radiatif réduit l’intensité de la convection.