Dans ce chapitre a été proposée une étude expérimentale afin d’investiguer les régimes de transition dans le cas où le vent oppose la flottabilité. À l’aide d’une analyse dimensionnelle, deux paramètres sans dimensions ont été définis pour caractériser les régimes internes. Pour la même configuration d’ouvrant étudiée dans le premier chapitre, une expérimentation à échelle réduite a permis de mettre en exergue un régime bidirectionnel de transitions en régime établi. Ce régime d’écoulement interne vient s’ajouter aux observations expérimentales de Hunt et Linden ou encore de celle d’Andersen (Andersen et al., 2000; Hunt and Linden, 2005), faisant état soit d’un régime mixé soit d’un régime stratifié. Par le biais de traitement d’image, une seconde série d’expérimentation a permis de caractériser des zones séparant des régimes d’écoulement, sur un diagramme mettant en jeu les paramètres sans dimensions ℰ et ℱ. Des transitions entre régimes suivant une loi puissance ont ensuite été caractérisées. Les facteurs d’échelles ont été déterminés pour pouvoir passer de la petite échelle à la grande échelle. Ces facteurs sont déterminants pour les cas d’applications réelles.
De plus, les différentes observations ont mis en évidence un comportement spécifique du jet d’air entrant en partie haute. Pour un débit d’injection et une concentration donnés, le jet d’air entrant change progressivement d’inclinaison à mesure que la vitesse de vent de référence augmente. Les illustrations de la Figure 3.10 nous montrent le phénomène décrit avec un jet entrant qui est tout d’abord contraint par la flottabilité (a). Dans cette configuration, un apport d’air frais est directement apporté dans la couche inférieure, entrainant par la même occasion du fluide léger. Puis, à mesure que la vitesse dans le canal augmente (b-c), le jet se redresse, et vient impacter le panache de fluide léger, ce qui a pour conséquence de le dévier et de provoquer un mélange de l’ambiance. Enfin, lorsque les forces de vent atteignent une certaine valeur, le même comportement qu’un écoulement interne piloté par le vent est observé (d) avec un jet plaqué au plafond. Deux angles peuvent être considérés comme des valeurs limites.
(a) (b)
(c) (d)
Figure 3.10: Comportement du jet entrant pour différentes valeurs de vitesse dans le canal pour une même valeur de débit à l’injection ainsi qu’une même valeur de masse volumique à l’injection.
les limites basses et hautes des angles que nous pouvons atteindre lors de l’expérimentation. La connaissance de l’angle d’incidence peut ainsi donner une indication sur l’ordre de grandeur des nombres ℰ et ℱ.
Dans le chapitre suivant, les transitions critiques mises en exergue dans ce chapitre seront prises en compte dans une méthode d’analyse croisée de la ventilation de confort et de la performance de désenfumage. Une analyse des vents sera proposée dans l’étude désenfumage au travers des nouveaux indicateurs de sécurité incendie. Ainsi l’impact de la prise en compte de la sécurité incendie, à travers le désenfumage, aux prémices de la conception sera étudié.
Étude expérimentale et numérique de la
vidange de fluide à faible densité en
convection mixte
SOMMAIRE
4.1. Introduction ... 73 4.2. Étude expérimentale de la vidange de fluide à faible masse volumique... 74 4.2.1. Présentation du protocole d’essai et grandeurs sans dimensions choisies ... 74 4.2.2. Caractérisation de la dynamique interne lors de la vidange ... 76 4.2.3. Détermination du temps de vidange caractéristique ... 78 4.3. Élaboration du modèle numérique ... 80 4.3.1. Présentation de l’outil FDS ... 81 4.3.2. Discrétisation spatiale temporelle ... 81 4.3.3. Confrontation entre le modèle et les données issues de la littérature ... 85 4.4. Étude numérique de la vidange en présence de fluides à faible densité ... 90 4.4.1. Discussion sur les facteurs d’échelle ... 90 4.4.2. Étude quantitative de la dispersion de fluide léger dans le cas de la convection forcée dominante et dans le cas de tirage thermique dominant... 91 4.5. Conclusion... 96 a problématique de décontamination d’un local en cas d’incendie est un enjeu majeur de sécurité. Le retour d’expérience mené au Chapitre 1 a mis en exergue l’importance de considérer ce cas de figure pour les bâtiments ventilés naturellement. Le Chapitre 2 a permis d’identifier des verrous scientifiques relatifs à la caractérisation de l’écoulement interne, et au temps de vidange dans le cadre de la convection mixte, lorsque les forces de vent opposent le tirage thermique. Dans ce chapitre, les différents régimes d’écoulement durant la phase de vidange, ainsi que la caractérisation du temps de vidange en convection mixte seront abordés. Deux approches sont utilisées : l’approche expérimentale et l’approche numérique. Le volume étudié est le même que pour le Chapitre 3.
La première partie de ce chapitre est relative à l’expérimentation à échelle réduite. Le même banc d’essai que pour le Chapitre 3 est utilisé. Le volume est initialement rempli par un mélange air/ hélium d’une masse volumique donnée, et est ensuite vidangé. La vidange de fluide léger est ainsi testée en convection mixte afin d’analyser les différents régimes d’écoulement trouvés dans le chapitre 2, et de
mettre en évidence des lois traduisant les limites de transitions. Un temps caractéristique de vidange est défini en fonction des grandeurs sans dimensions définies.
Pour compléter l’analyse expérimentale, une étude numérique de la vidange est proposée. Une validation du modèle numérique est réalisée. Cette étude permet de discuter sur la décroissance de fluide léger dans l’enceinte, pour différents nombre de Richardson initiaux, en fonction du temps.
4.1. Introduction
Dans le bâtiment, la caractérisation du phénomène de vidange est nécessaire pour des questions de Qualité de l’Air Intérieur (QAI), mais aussi pour des questions de décontamination (en cas d’incendie par exemple). Différents auteurs ce sont alors intéressés à cette problématique lorsque la ventilation naturelle opère, tant de manière numérique qu’expérimentale (cf. Chapitre 2). Ainsi, de nombreuses études ont concerné la performance de la ventilation naturelle, que ce soit en convection forcée (Blocken et al., 2011; Peren et al., 2015; Perén et al., 2015; Ramponi and Blocken, 2012; Tominaga and Blocken, 2016, 2015), ou en convection mixte (Lai et al., 2013; Węgrzyński and Krajewski, 2017; Yi et al., 2013).
Les études, impliquant les forces de vent seules, concernent généralement la performance de ventilation dans le bâtiment pour des questions de QAI, ou de confort thermique. Par exemple, Peren et al. (Peren et al., 2015) proposent une étude numérique de géométries de toiture favorisant l’écoulement interne. De leur côté, Bastide et al.(Bastide et al., 2006) ont réalisé une étude numérique pour optimiser le pourcentage d’espace bien ventilé au sien d’un volume soumis à la ventilation naturelle induite par le vent seul. Plusieurs configurations d’ouvertures ont été étudiées dans ce cas. Tominaga et Blocken (Tominaga and Blocken, 2016) proposent aussi d’évaluer, de manière expérimentale, plusieurs configurations d’ouvertures pour une géométrie simple. Dans leur étude, ils évaluent la performance de la ventilation, à la fois en comparant les débits de ventilation dans chaque cas, et à la fois en évaluant la dispersion de polluant passif. Dans ce dernier cas, les auteurs remplissent initialement la pièce de fumée passive (à température ambiante et de même masse volumique que l’air), et ouvrent les ouvertures pour y laisser entrer le vent. Ils concluent sur un classement entre les configurations, relatif à l’efficacité de dispersion de polluant passif. Ce classement entre configurations, à destination des concepteurs, nous questionne quant à la validité de celui-ci lorsque les forces de flottabilité sont en jeux. En d’autres termes, une configuration d’ouvrant favorisant la vidange d’un polluant passif, favoriserait-elle aussi la vidange d’un polluant léger tel que de la fumée chaude ? Pour tenter de répondre à cette question, nous allons traiter dans ce chapitre le cas du vent opposant les forces de flottabilité lors de la vidange d’une pièce initialement « polluée ». Pour ce cas, l’analyse de la littérature nous a permis de mettre en évidence un verrou scientifique lié à la caractérisation du temps de vidange. En effet, les études de Hunt et Linden (Hunt and Linden, 1997) font état d’un temps de vidange qui commence à partir du moment où l’écoulement est monodirectionnel entrant en partie haute et au moment où l’axe neutre atteint le sol (environnement homogène). Or, dans le chapitre précédent, nous avons pu mettre en évidence l’existence d’un régime bidirectionnel stable entre le régime mixé et le régime stratifié. Si ce régime existe pendant la vidange, du fluide léger peut alors s’extraire en partie haute, ce qui impacterait le temps de vidange total.
Dans ce chapitre deux approches, expérimentale et numérique, sont proposées pour répondre aux problématiques liées à la vidange. L’étude expérimentale nous permettra de caractériser les régimes d’écoulement, pendant la vidange, et d’identifier les grandeurs sans dimensions d’intérêts pour l’étude de ce phénomène transitoire. L’étude numérique de la convection mixte apportera des éléments de réponse quantitatifs à la problématique désenfumage/ventilation naturelle de confort.