4.3 Influence des caractéristiques de l’ouverture
4.3.5 Synthèse
L’étude de l’évolution du coefficient de rétrodiffusion en fonction du paramètre aéraulique adimensionnel V/Udéb n’a pas montré d’effet des caractéristiques de l’ouverture (épaisseur des bords, forme géométrique, matériau de la paroi frontale) sur l’apparition du phénomène de rétrodiffusion. Toutefois, les courbes de rétrodiffusion ont montré un effet significatif de l’épaisseur des bords de l’ouverture et du matériau de la paroi frontale sur l’évolution du coefficient de rétrodiffusion en fonction de V/Udéb et ce, après l’apparition du phénomène.
Dans le cas de la perturbation liée au jet turbulent interne transverse, on note une forte influence de l’épaisseur des bords de l’ouverture sur le comportement du taux de rétrodiffusion à partir d’une vitesse de perturbation à l’ouverture trois fois supérieure à la vitesse de l’écoulement de confinement dynamique (Figure 4.32). Ainsi, davantage de rétrodiffusion est constatée à l’ouverture dans le cas de la plus petite épaisseur (e = 2 mm). En revanche, aucune influence de l’épaisseur n’a pu être observée dans le cas de l’écoulement perturbateur externe lié au déplacement de la plaque.
Dans le cas de cette perturbation, on montre également qu’une ouverture disposée sur une paroi frontale souple en vinyle présente plus de rétrodiffusion que celle sur une paroi rigide. En effet, dans le cas d’une paroi frontale souple, le confinement statique est beaucoup moins robuste que dans le cas d’une paroi rigide, ce qui facilite le phénomène de rétrodiffusion.
Enfin, aucun effet de la forme géométrique n’a été noté pour les ouvertures rectangulaire et circulaire étudiées sur une paroi souple. Ce résultat est valable dans l’intervalle V/Udéb < 1,5 ±
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6
paroi souple ; ouverture circulaire
paroi souple ; ouv rectangulaire Cextéq− Cair
Cintéq− Cair
(%)
0,2 ; au-delà de cette limite, le peu de données expérimentales disponibles ne nous permet pas de déduire une tendance générale.
4.4 Conclusion
Les expériences de visualisation laser par fumigène conduites en amont des expériences de quantification ont permis, lors de la construction de notre programme expérimental, de guider notre choix de la gamme des rapports V/Udéb à tester dès le début de nos expériences de quantification du phénomène de rétrodiffusion, notamment dans le cas de la perturbation du déplacement de la plaque et du jet externe transverse.
Ainsi, les essais de visualisation laser réalisés lors de la perturbation liée au déplacement de la plaque externe, ont permis d’observer des phénomènes de rétrodiffusion, dans le plan horizontal médian de l’ouverture, pour des rapports V/Udéb décroissant jusqu’à V/Udéb = 1,2. Les expériences de quantification de la rétrodiffusion dans la même configuration ont montré une apparition du phénomène à partir du rapport V/Udéb = 1. Ces résultats ont donc conforté ceux de la quantification de la rétrodiffusion. Par ailleurs, l’acquisition des champs instantanés des vecteurs de vitesse a permis d’accéder à la valeur de la vitesse instantanée de perturbation à l’ouverture V (m. s−1).
On a également démontré, grâce aux expériences de visualisation, qu’une perturbation aéraulique continue externe transverse donne lieu au phénomène de rétrodiffusion. Le plus petit rapport V/Udéb testé dans le cadre de ces expériences et qui a présenté une rétrodiffusion significative au niveau du plan vertical médian de l’ouverture est V/Udéb= 5. Les expériences de quantification dans le cas d’un perturbateur de type jet externe transverse (pariétal cette fois-ci), ont quant à elles, montré un début du phénomène de rétrodiffusion pour un rapport V/Udéb= 3,5. Ces résultats de visualisation laser ont une fois de plus confirmé ceux obtenus par la quantification.
On a démontré dans ce chapitre que l’apparition du phénomène de rétrodiffusion est indépendante de la vitesse débitante fixée à l’ouverture et des caractéristiques géométriques de celle-ci. Ceci est valable pour toutes les perturbations étudiées, à condition que V/Udéb soit le même pour chaque valeur de Udéb. Le nombre adimensionnel V/Udéb représente donc le paramètre aéraulique adapté à l’étude de l’évolution du coefficient de rétrodiffusion en fonction des conditions aérauliques présentes dans le champ proche de l’ouverture.
Globalement, les courbes de rétrodiffusion ont montré une évolution polynomiale (d’ordre 2) pour les ouvertures existantes sur une paroi frontale rigide quels que soient le type de la perturbation, les conditions aérauliques (V et Udéb) et les caractéristiques géométriques de l’ouverture. Par contre, on a noté une évolution linéaire du coefficient de rétrodiffusion pour l’ensemble des expériences réalisées sur une paroi frontale en matériau souple.
Enfin, nous disposons, grâce à l’ensemble des expériences de quantification décrites dans ce chapitre, d’un nombre important de points de mesure pour différents paramètres (vitesse débitante, vitesse de perturbation, type de perturbation, type d’ouverture) afin de constituer des abaques d’évolution du coefficient de rétrodiffusion valables dans des conditions opératoires similaires à celles de notre étude.
Des simulations numériques LES et RANS sont conduites (chapitre 5) sur les perturbations par des jets pariétaux transverses interne et externe ainsi que celle par un jet libre interne à contre- courant pour Udéb= 0,5 m. s−1. Les rapports V/Udéb étudiés sont V/Udéb = 5,82 ± 0,33 pour le jet pariétal interne, V/Udéb = 6,1 ± 0,54 pour le jet pariétal externe et V/Udéb = 3,94± 0,32 pour le jet libre interne. Une comparaison URANS/LES est aussi réalisée au début de chapitre 5 dans le cas du jet libre interne pour V/Udéb = 2,83 ± 0,28 ( Udéb= 1 m. s−1).
5 Résultats des simulations numériques CFD
L’objectif de ce chapitre est d’identifier la méthode de modélisation de la turbulence (RANS, URANS, LES) capable de reproduire le phénomène de rétrodiffusion, mis en évidence expérimentalement (chapitre 4). Les configurations retenues correspondent à des perturbations produites sous la forme de jets turbulents, libres ou pariétaux, qui ont conduit à une rétrodiffusion significative (mesurée localement à l’ouverture par le traçage gazeux).
Dans un premier temps, des résultats de simulation URANS et LES sont confrontés sur la base d’une configuration dont la rétrodiffusion a été mesurée lors des essais de traçage gazeux. Par la suite, trois configurations de perturbations sont étudiées à l’aide de simulations RANS et LES. Cette étude porte sur la mise en évidence ou non d’une rétrodiffusion d’un traceur (scalaire passif) à l’extérieur du dispositif expérimental et, le cas échéant, sur la description de l’écoulement rétrodiffusé. La description qualitative de cet écoulement passe par la visualisation des structures turbulentes et des champs de traceur dans l’écoulement. Les champs des vitesses instantanées et moyennes et les champs de vorticité sont aussi commentés afin d’apporter une description détaillée de la rétrodiffusion. Une analyse quantitative porte sur les vitesses de perturbations issues des simulations et leur confrontation avec les vitesses issues des données expérimentales. On expose aussi dans ce chapitre les paramètres et hypothèses numériques adaptés à ce type de configurations.
Toutes les simulations présentées dans ce chapitre ont été réalisées sur la géométrie de la maquette expérimentale détaillée dans le chapitre 3 ; l’ouverture étudiée est celle de dimensions 0,1 × 0,03 × 0,005 m3, considérée comme l’ouverture de référence dans l’ensemble du manuscrit. Les géométries des calculs ont été réalisées avec le logiciel ANSYS WORKBENCH et les maillages conçus avec le logiciel ANSYS ICEM-CFD. Les simulations ont été conduites avec le code de calcul ANSYS CFX et le post-traitement des résultats réalisé avec ANSYS CFD-Post.
Les calculs URANS et RANS ont été exécutés en mode parallèle sur le cluster SACLUX de l’IRSN à Saclay, en utilisant 2 à 4 nœuds de calcul constitués chacun de 12 processeurs. Les calculs LES ont, quant à eux, été parallélisés sur 6 nœuds de calcul du supercalculateur ‘EOS’ (Figure 5.1), implanté sur le centre de calcul Toulousain CALMIP. Chaque nœud contenant 20 processeurs, 120 processeurs ont donc été utilisés pour ces calculs.