3.3 Détermination des grandeurs d’intérêt de l’étude
3.3.2 Détermination du débit d’extraction et du coefficient de rétrodiffusion
Le débit d’extraction de l’enceinte et le coefficient de rétrodiffusion sont tous les deux déterminés par la technique de traçage gazeux.
De manière générale, cette technique est principalement utilisée pour caractériser l’aéraulique d’un local ou encore pour étudier le transport des contaminants. Le traçage gazeux consiste à marquer, au moyen d’une substance convenablement choisie, les flux de gaz parcourant le système que l’on étudie, et à mesurer l’évolution dans l’espace et dans le temps des concentrations résultantes.
Le principe de cette technique est détaillé dans l’annexe D. Cette technique permet d’obtenir deux types d’informations :
- d’une part une information sur les paramètres de fonctionnement statique et dynamique du système lui-même (débit d’air, taux de renouvellement,…),
- d’autre part une information sur l’interaction entre le système et son environnement (coefficients de transfert ou de rétrodiffusion,…).
Détermination du débit d’extraction de l’enceinte
La mesure d’un débit d’air Q à l’aide d’un traceur gazeux est basée sur le principe de dilution d’une quantité connue de gaz traceur injectée dans un système (conduit de ventilation, enceinte ventilée,..) dans lequel circule ce débit Q. La mesure de la concentration en gaz résultante est effectuée en un point de prélèvement où le mélange entre l’air et le traceur est homogène. Le principe est schématisé sur la Figure 3.21 :
Le débit de gaz Q (m3. h−1) parcourant le système étudié est obtenu à partir de la relation du bilan en gaz traceur lorsque l’équilibre de l’écoulement dans le système étudié est établi :
𝑄 𝐶𝑎𝑖𝑟+ 𝑞0 𝐶0= (𝑄 + 𝑞0) 𝐶é𝑞
(3-3) Avec,
Q : débit de gaz dans le système (m3. h−1), q0 : débit de gaz injecté (m3. h−1),
Céq : concentration en traceur mesurée à l’équilibre (ppm),
Cair : concentration en gaz traceur présent naturellement dans l’air, Cair= 5 ± 2 ppm pour l’hélium, C0 : concentration en traceur pour le gaz injecté (ppm).
Les concentrations s’expriment en ppm (partie par million, volumique). Le gaz traceur étant injecté à l’état pur, C0 = 106 ppm, et qo étant négligeable devant Q, le débit est alors obtenu à partir de la relation :
𝑄 = 𝑞0
𝐶é𝑞− 𝐶𝑎𝑖𝑟 × 10 6
(3-4) Le dispositif permettant de déterminer la valeur de Céq (ppm), illustré sur la Figure 3.22, est essentiellement constitué d’une partie émission du gaz traceur, une partie détection et analyse, et une dernière partie relative à l’affichage, à l’acquisition et à l’enregistrement de données numériques liées à la réponse du spectromètre de masse.
Dans un premier temps, un débit de gaz traceur constant et contrôlé q0 (Nl. h−1) est injecté dans l’enceinte à l’aide d’une bouteille de gaz contenant de l’hélium pur munie d’un détendeur et d’un système d’injection disposé en aval du détendeur. Ce dernier, garantissant un débit constant et continu, est composé d’un débitmètre volumique BROOKS 5850E ( 0 − 45 Nl. h−1, P
1/ P2 = 4 à 5 / Patm) relié à un coffret d’affichage et de régulation BROOKS instrument (4 voies - modèle 0254). Dans un second temps, le prélèvement est réalisé en l’aval de l’enceinte, dans le conduit d’extraction, à une distance suffisante afin d’obtenir un mélange homogène. Le mélange air/hélium prélevé (de concentration Céq) est acheminé grâce à une pompe de prélèvement vers un spectromètre de masse Alcatel modèle ASM102S à sortie logarithmique afin d’être analysé. L’analyse du mélange prélevé donne lieu à un signal numérique en volts proportionnel à la concentration Céq (ppm). Un système d’acquisition ‘Labview’ permet de visualiser en temps réel le signal en volts et de l’enregistrer pour le convertir ultérieurement en valeurs de concentration à l’aide des courbes d’étalonnage du spectromètre de masse utilisé.
Notons que l’étalonnage du spectromètre de masse est effectué au moyen de deux étalons gazeux d’hélium, les teneurs en hélium des deux gaz étalons encadrant la valeur de Céq que l’on souhaite mesurer. Deux à trois étalonnages sont réalisés pendant la même série d’essais ; la courbe d’étalonnage finale est obtenue en établissant la moyenne de ces étalonnages.
Figure 3.22 : schéma de la détermination du débit d’extraction de l’enceinte par le traçage gazeux à l’hélium
Détermination du coefficient de rétrodiffusion : 𝐶𝑖𝑛𝑡é𝑞 et 𝐶𝑒𝑥𝑡é𝑞
Le calcul du coefficient de rétrodiffusion passe par la détermination des grandeurs 𝐶𝑖𝑛𝑡é𝑞 et Cextéq
correspondant à la concentration moyenne à l’équilibre en hélium dans le mélange air/hélium, respectivement dans l’enceinte et à l’extérieur de l’enceinte localement autour l’ouverture (mélange rétrodiffusé). L’obtention des grandeurs 𝐶𝑖𝑛𝑡é𝑞(𝑝𝑝𝑚) et 𝐶𝑒𝑥𝑡é𝑞(𝑝𝑝𝑚) passe par les mêmes étapes que pour la mesure de la concentration 𝐶é𝑞 (𝑝𝑝𝑚) dans le cadre de la détermination du débit d’extraction de l’enceinte. Le dispositif et l’instrumentation mis en œuvre restent identiques durant toutes les étapes d’injection de gaz traceur, de détection, d’analyse, d’acquisition et de conversion des données. Les étapes de l’injection de l’hélium dans l’enceinte et du prélèvement du mélange de concentration 𝐶𝑖𝑛𝑡 dans la gaine d’extraction ne changent pas. 𝐶𝑖𝑛𝑡 et 𝐶é𝑞 (concentration destinée à la mesure du débit d’extraction de l’enceinte) désignent la même concentration.
Ainsi, le prélèvement du mélange gazeux air/hélium lié à la mesure de 𝐶𝑖𝑛𝑡é𝑞 est analysé par un spectromètre de masse ASM102S à sortie logarithmique alors que le mélange hélium/air relatif à la concentration Cextéq est prélevé au point de collecte d’un ensemble de préleveurs disposés localement sur la périphérie de l’ouverture ; le nombre et le positionnement des préleveurs dépendent de la perturbation étudiée. L’analyse du mélange gazeux prélevé à l’ouverture est réalisée grâce à un spectromètre de masse Alcatel modèle ASM100 à sortie linéaire. Les systèmes d’analyse par spectrométrie de masse sont illustrés sur la Figure 3.24.
Les étapes d’acquisition, d’enregistrement et de conversion des données numériques en valeurs de concentration en ppm sont identiques à celles explicitées ci-dessus pour l’obtention du débit d’extraction de l’enceinte.
Figure 3.23 : schéma de la détermination des concentrations Cintéq (ppm) et Cextéq(ppm) par traçage gazeux à l’hélium
Notons que les valeurs attendues pour la mesure de Cintéq sont supérieures à 1000 ppm et celles mesurées dans le cadre de la détermination de Cextéq ne dépassent pas une centaine de ppm dans le cas de figure le plus favorable à la rétrodiffusion3. Une illustration du montage expérimental globale
du traçage gazeux est présentée sur la Figure 3.25.
3 Les spectromètres de masse Alcatel modèle ASM102S ont une capacité qui peut aller jusqu’à des
concentrations de l’ordre de 10 000 ppm ; pour cela, ils sont munis d’une sortie logarithmique. Les spectromètres de masse Alcatel modèle ASM100 peuvent analyser des signaux proportionnels à des concentrations jusqu’à 1000 ppm seulement. Ils sont utilisés avec une sortie linéaire du signal.
Figure 3.24 : système d'analyse par spectrométrie de masse hélium, acquisition et enregistrement des données
Figure 3.25 : montage expérimental pour le traçage gazeux à l’hélium
3.4 Conclusion
Le banc expérimental que nous avons dimensionné est adapté à la mise en œuvre de perturbateurs aérauliques continus ou transitoires au cours du temps, internes ou externes à l’enceinte en dépression, perpendiculaires ou arrivant au droit des ouvertures retenues. Le dimensionnement de la maquette finale et des différents dispositifs et montages mis en place autour ont été détaillés dans ce chapitre.
Les grandeurs d’intérêt de l’étude définies dans ce chapitre sont principalement les vitesses en compétition à l’ouverture, la dépression dans l’enceinte, les débits d’extraction et de perturbation, ainsi que le paramètre quantifiant la rétrodiffusion à l’ouverture. La définition de paramètres adimensionnels uniques, comme le coefficient de rétrodiffusion Krétro(%) et le paramètre aéraulique V/Udéb ,permettra d’établir, pour un même type de perturbation, une comparaison entre les différentes conditions aérauliques produites à l’ouverture.
Ce dispositif expérimental permettra de réaliser des expériences de tomographie et de vélocimétrie laser, ainsi que des expériences de quantification de la rétrodiffusion. Les résultats issus de ces expériences seront présentés dans le chapitre suivant. On cherchera, par le biais de ces résultats, à déterminer l’effet des conditions aérodynamiques à l’ouverture sur le comportement du coefficient de rétrodiffusion et ce, pour plusieurs types de perturbations et pour différentes géométries d’ouvertures. Un large panel de conditions aérauliques et géométriques à l’ouverture sera ainsi étudié.
Des simulations numériques seront également conduites sur la géométrie de la maquette finale et les résultats seront présentés dans le chapitre 5. Le but sera d’identifier la meilleure approche de résolution et de modélisation de la turbulence capable de reproduire le phénomène étudié.