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LIENS


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U.F.R.ciences&echniques
EcoleoctoraleMMA(Energétique,Mécaniquetatériaux)
Département"eFormationoctorale:écaniqueetnergétique


Thèse

présentéeour'obtentionuitree

Docteurdel'UniversitéHenriPoincaré,NancyI

enMécaniqueetEnergétique

parJérôme&LAISE


Influencedelagéométried’unesourcethermique
surledéveloppementdupanache




Membresuury%

Rapporteurs% M.acquesADET Professeur,niversitée&eims
M.rancis)LLARD Professeur,niversitéeLa&ochelle

Examinateurs% Mme)nne#arieBERNARD Société)llieair
M.enéEVIENNE Professeur,.H.P.,ancyI(Directeurehèse)
M.abriceLEMOINE Présidentuury
Professeur,NSEMINPL,ancy
M.aul0ALLETTE Professeur,.H.P.,ancyI
M.eanRaymondONTAINE Ingénieureecherche,INRS,ancy



Laboratoired’EnergétiqueetdeMécaniqueThéoriqueetAppliquée
CNRSUMR7563;2,Av.DelaForêtdeHaye8BP16054504Vandœuvre8lès8Nancy

InstitutNationaldeRechercheetdeSécurité,DépartementIngénieriedesprocédés,LaboratoireIngénierieAéraulique,
AV.deBourgogne–BP2754501Vandœuvre8lès8Nancy
Remerciements


JetiensavanttoutàremercierRenéDevienneetJeanRaymondFontainequiontacceptéde
dirigerettehèsetoureoutienu’ils#’ontpportéorsearéparationeeravail.

QuelesrapporteursJacquesPadetetFrancisALLARDsoientassurésdemagratitudepour
l’intérêtu’ilsntorté4#onravail.

Parailleurs,ungrandmerciàE.Belut,J.C.Sérieys,F.Bonthoux,R.BraconnieretR.app,
pourlesconseilsavisésqu’ilsontsumedonnertoutaulongdemesrecherches.Merciaussià
MessieursJ.C.CuninetF.Henryainsiquel’ensembledespersonnelsdel’INRSpourl’aide
techniqueu’ils#’ontpportéendantouteauréee#onrojet.

Une petite pensée également pour l’ensemble des stagiaires qui ont contribué à animer
l’ambiance de travail, soit, par ordre chronologique% Laetitia Soudre, Manuel Schaff et
DominiqueLains.











Résumé


Cerapportprésentel'étudeexpérimentaledudéveloppementd’unpanachethermiquedansun
milieuconfinéetventilé.Cettesituationestrencontréedanslesinstallationsdelaventilation
pardéplacement.Lesexpériencesontétéeffectuéesdansunecelluled'essaiaérauliqued’une
2surfaceausolde4,8x4,2m etd’unehauteurde5,6m.Lessourcesdechaleurutiliséessont
un cylindre de 1 de diamètre constitué de cinq éléments d’aires identiques (4 surfaces
cylindriques identiques superposés et un disque supérieur) et une source rectangulaire
composée de 4 modules de dimensions 0,25 x 1,5 m où seule la surface supérieure est
chauffée. Les expériences sont conduites par mesure de température et de vitesse et en
l’absenceetratification.

Après une large qualification du nouveau système métrologique composé d’un dispositif
d’acquisition permettant la mesure simultanée des vitesses par 16 sondes
thermoanémométriques et des températures par 64 thermocouples, nous présentons les
résultats expérimentaux obtenus pour la source cylindrique et la source rectangulaire.
L’objectifestd’étudierl’influencedelagéométriedelasourcesurlesloisdedéveloppement
de panache. Ainsi, pour chaque configuration de source, nous étudions et comparons les
paramètres suivants : la position et la vitesse au centre du panache, l’écart de température
entre le centre du panache et l’extérieur, la forme et le rayon elliptique du panache pour
différentes hauteurs audessus de la source. Ces paramètres sontbtenus à partir de
l’applicationdumodèlegaussienelliptiqueauxmesuresexpérimentalesdetempératureetde
vitesse.Deplus,nouscomparonségalementlapositiondel’originevirtuelleetlavaleurdu
débitdupanachepourlesdifférentesconfigurationsdesourceetnousétudionsl’influencede
lagéométriedelasourcesurcesparamètres.Ainsi,nousavonspuétablirdesloisthéoriques
quinousdonnentlapositiondel’originevirtuelleenfonctiondelahauteurdechauffedansle
casdelasourcecylindriqueetdelalargeurdelasourcedanslecasdelasourcerectangulaire.
La valeur de la position de l’origine virtuelle présente un grand intérêt pour le calcul des
débitseanachesteimensionnementesystèmeseaptage.

Lesdifférentesmesureseffectuéesontpermiségalementdevérifierlesmodèlesthéoriquesde
laourceonctuelleteaourceinéaireourlesifférentsastudiés.

Un calcul d’erreur sur la mesure de température et de vitesse est présenté pour chaque
configurationetnousdonnel’erreursurlerayonelliptiquedupanache,ledébitetlaposition
de’origineirtuelle.




Sommaire


Nomenclature
1ntroduction 1
1.1 Positionnement,issionsttatut ………………………………………………..….2
1.1.1istoriquettatut .…………………………………………………………..2
1.1.2rincipalesctivités ...…………………………………………………………2
1.1.3Leaboratoire’ingénierieéraulique .………………………………………3
1.2 Contextee’étude ….……………………………………………………………..…4
1.2.1ravauxntérieurs .…………………………………………………………..4
1.2.2éveloppementsroposés .……..……………………………………………4
1.2.3bjectifseahèse .…..………………………………………………………5

2tude,ibliographique 6
2.1 Principeeaentilationaréplacement ...…………………………………………7
2.2 Panacheenonvectionaturelle .…………………………………………………….8
2.2.1anachessu’uneourceehaleuronctuelle ..……………………………8
2.2.2anachessu’uneourceehaleurinéaire ...……………………………13
2.2.3anacheéveloppénilieuonfinéetentilé ……………………………16
2.2.4aractérisationeahermoclinenstalléeennceinteentilée ……………20
2.2.5auteureahermocline ……………………………………………………25
2.3 Conclusion ………………………………………………………………………….28

3nstallationsxpérimentales 29
3.1 Celluleéraulique ………………………………………………………………….30
3.1.1hambre’expérience ...……………………………………………………30
3.1.2ystèmeeraitementteentilation’air ..………………………………31
3.1.3aractéristiquese*onctionnement ………………………………………….32
3.1.4ystèmeeéplacementD ………………………………………………..32
3.2 Sourcehermique ……………………………………………………………………33
3.2.1ourcehermiquecylindrique .……………………………………………….33
3.2.2ourcehermiquerectangulaire ..…………………………………………….34
3.3 Métrologie ...………………………………………………………………………..37
3.3.1esureseliées4aource .…………………………………………………37
3.3.2esureeaempérature’airanseanache ……………………………38
3.3.3esureeaitesse’airanseanache ………………………………….38
3.3.4ystème’acquisition .……………………………………………………….38
3.3.5résentationeamatriceecapteurs .……………………………………..39
3.4 Méthodes ……………………………………………………………………………40
3.4.1odèlegaussienlliptique .…………………………………………………40
3.4.2ébitolumiquentraînéarnanachelliptique .……………………….41
3.4.3xcès’enthalpiedansnanachelliptique ...……………………………41
3.4.4odèleuayondeanache(z)tuifférentieleempératureGT ..…..42c
3.4.5alcul’erreur .……………………………………………………………..42


4ualification 46
4.1 Introduction .……………………………………………………………………….47
4.2 Qualificationuystèmee#esure ………………………………………………..47
4.2.1ncienne#étrologie ………………………………………………………..47
4.2.2ouvelle#étrologie ..………………………………………………………48
4.2.3aramètresexpérimentaux .…………………………………………………49
4.2.4ésultatsxpérimentaux ..……….………………………………………….50
4.2.5onclusion .…………………………………………………………………56
4.3 Qualificationeaourceectangulaire ……………………………………………56
4.3.1onfigurationxpérimentale ..………………………………………………56
4.3.2ésultats ...…………………………………………………………………....56

5ésultatsxpérimentaux 59
5.1 Sourceylindrique .....………………………………………………………………60
5.1.1Introduction .…………………………………………………………………60
5.1.2onfigurationxpérimentale .....…………………………………………….60
5.1.3omparaisonesrésultatsxpérimentauxbtenus4artiruodèle .....…..62

"aussienelliptiqueoures<asétudiés
5.1.4stimatione’origineirtuelle ...………………………………………….70
5.1.5stimationuébit’airmportéareanache ….………………………74
5.1.6T , ,nonctioneFF .......………………………………………....74c c v
5.1.7omparaisonntreesébitshéoriquestlesébits ............……………...76

xpérimentaux’airmportésareanache
5.1.8valuatione’excès’enthalpieuanache .........………………………..77
5.1.9Influenceeagéométrieeaourceurlesaramètres6,GT , ...……78c c
5.1.10rreure#esure ...………………………………………………………….80
5.1.11onclusion .…………………………………………………………………90
5.2 Sourceectangulaire .……………………………………………………………….91
5.2.1Introduction .…………………………………………………………………91
5.2.2onfigurationxpérimentale ………………………………………………..91
5.2.3omparaisonesrésultatsxpérimentauxbtenus4artiruodèle ...……94

"aussienelliptiqueoures9asétudiés
5.2.4stimatione’origineirtuelle ..............…………………………………102
5.2.5valuatione’excès’enthalpieuanache …………………………….106
5.2.6érificationuodèlehéorique .…………….……………………………107
5.2.7rreure#esure ......………………………………………......…………..108
5.2.8onclusion ..........………………………………………………………….116
5.3 Sourceectangulaire%tudeearansitionourceinéique/sourceonctuelle .….117
5.3.1Introduction ..……………………………………………………………….117
5.3.2onfigurationxpérimentale ………………………………………………117
5.3.3omparaisonesrésultatsxpérimentauxouresastudiés ......………118
5.3.4Influenceeagéométrieeaourceurlesaramètres6,GT , ...…..123c c
5.3.5onclusions ...………………………………………………………………125
5.4 Comparaisonourcecylindrique/sourcerectangulaire …………………………….126
5.4.1as>ourceylindrique/2ourcesrectangulaires .......……………………126
5.4.2as,,,,ourceylindrique/casBsourcesectangulairest .......….128

cas9ourcesectangulaires



6onclusions 129
Annexe:# Justificationde’incertitudeuraesure"eempérature(0,4°C) 132
eturamesure"eitesse0,02m/s)
1.1Introduction ..…………………………………………………………132
1.2luctuationemporelle .......……………………………………………132
1.3épétitivitées#esures ...…………………………………………….133
1.4onclusion ………….…………………………………………………136

Bibliographie 137





















¥
-
D
D
b
¥
D
D
-

Nomenclature


a, rayons dynamiques du panache pour lequel la vitesse w est liée à lab
wcvitessexialear%w = (e = 2,718...) 1m)b
e
a , rayonsthermiquesdupanachepourlequell’écartdetempératureentreT T
Tcleentreuanachet'airnvironnantaut (e = 2,718...) 1m)
e
4 3B fluxe*lottabilité1m .s )
4 3B fluxe*lottabilité4aource1m .s )s
1 1
Cp chaleur#assiquee’air1J.kg .K )
C fonction’intercorrélationadialeT,r
C fonction’intercorrélationxialeT,z
D diamètreeaource(m)s
F facteur d’aplatissement des fluctuations de concentration ou de
température
2
g accélérationeaesanteur1m.s )
dT 2
G = g gradienteempératureéduituilieunvironnant1s )
dz
Gr nombreeLrashof
2 1h coefficient#oyen’échangeuperficiel1W.m .K )
1/ 3 5 / 3 4/3 1 1/3K coefficienteébituanache K = Q P z 1m .s .W )c
L échelleeongueuradialeestructuresuanache1m)r
L échelle#oyenneeongueuradialeestructuresuanache(m)rm
L échelleeongueurxialeestructuresuanache1m)z
Nu nombreeusselt
p penteearoiterN*(Gzzv)
P puissanceonvective’uneourcehermique1W)c
P puissanceayonnée’uneourcehermique1W)R
P puissanceotaleonsomméearneourcehermique1W)t
P puissancebsorbéear’airraversantaellule1W)tra
Pr nombreerandtl
3 1Q débituanache1m .s )
3 1
Q débiteentilationm .s )v
r directionadiale(m)
Ra nombree&ayleigh
S facteur de dissymétrie des fluctuations de concentration ou de
température
T= T +t' décomposition en valeur moyenne et fluctuante de la différence de
températurentreeanachet'airenvironnantuêmeiveauK)
1
T’=dT /dz gradienteempératureduilieunvironnant1K.m )
T écartdetempératureentrelecentredupanacheetl'airenvironnantauc
mêmeiveauK)a
F
e
k
¥
l
¥
l
t
l
F
n
T
r
a
b
s
t

T températureuilieumbiant1°C)a
T températureeeprise’aireaellule’essai(°C)R
T températureeaourcedehaleur1°C)s
T températureeoufflaged’airansacellule’essai1°C)v
T températureuilieunvironnant1°C)
u = u +u' décomposition de la vitesse radiale en valeur moyenne et fluctuation
1turbulente1m.s )
1
V vitesseeropagationestructuresurbulentesduanache1m.s )p
w = w +w' décompositiondelavitesseverticaleenvaleurmoyenneetfluctuation
1
turbulente1m.s )
1w vitesseuentreuanache1m.s )c
X variable adimensionnelle caractérisant la loi de développement du
panache
z directionerticale1m)
z hauteuretratification(m)i
z positione’origineirtuelleuanache1m)v

Lettresgrecques:

facteur’entraînementynamiqueournanache
facteur’entraînementhermiqueournanache
1
coefficientolumique’expansionhermique1K )
émissivité
1 1 conductivitéhermique1W.K .m )
= b /b rapport entre les rayons b du profil de température et b du profil deT T
vitesse
=a /a rapport entre le rayon thermique a et le rayon dynamique a pour una T T
panachelliptique
=b /b rapportentrele rayonthermiqueb etle rayon dynamiquebpourunb T T
panachelliptique
2 1 viscositéinématique1m .s )
3
masseolumique1kg.m )
écartypees*luctuationseoncentrationudetempérature
retardncrémental’unefonction’intercorrélations)
retardncrémentalptimal1s)m
puissancehermique(W)
excès’enthalpieanseanache4aauteurF1W)z

Indices:

a ambiant
c sur’axeuanache
f conditionsuilm
i interface
s source
pouresrandesistancesadialese’axeupanache CHAPITRE.NTRODUCTION
Chapitre1

Introduction

Cettethèses’estdérouléedanslecadred’uneconventionCIFRE,passéeentrel’Association
NationaledelaRechercheTechnique(ANRT),l’INRS,InstitutNationaldeRechercheetde
Sécurité pour la prévention des maladies professionnelles et des accidents de travail, et le
LEMTA,Laboratoired’EnergétiqueetdeMécaniqueThéoriqueetAppliquée(UMRCNRS
7563)




































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