Influence de la géométrie d’une source thermique sur le développement du panache, Influence geometry of the source on the laws of development of plume

De
Publié par

Sous la direction de René Devienne, Jean-Raymond Fontaine
Thèse soutenue le 06 février 2008: Nancy 1
De nombreux procédés industriels utilisent ou génèrent des sources chaudes : fours, traitement de surface, soudage…Les dégagements de chaleur s’accompagnent généralement d’une dispersion de polluants dans l’atelier. Ainsi, la caractérisation des panaches de convection naturelle des sources thermiques est nécessaire au dimensionnement des installations de ventilation (hotte ou ventilation générale par déplacement d’air) pour l’assainissement des ambiances de travail. L’I.N.R.S a mis au point une méthode expérimentale pour caractériser en vraie grandeur le panache de sources thermiques de géométrie simple. Un banc d’essais a été réalisé et instrumenté à cet effet. Il est constitué d’une cellule aéraulique dont les dimensions sont 4,2 m x 4,8 m x 5,6 m équipé d’une centrale de traitement d’air et d’un système de ventilation permettant un déplacement vertical des flux d’air. La cellule est équipée d’un robot de déplacement tridimensionnel permettant le positionnement de sondes de température et de vitesses en tout point du volume. Les expérimentations menées étudient l’influence de la géométrie de la source sur les lois de développement de panache à partir de mesures de champs de température et de vitesse. Pour une même puissance thermique convectée, la géométrie des sources sera variée pour identifier son affluence sur le développement du panache. Une source cylindrique composée de cinq éléments d’aires identiques (4 cylindres identiques superposés et un disque supérieur) régulés indépendamment en température permettra de mener des études paramétriques sur des sources tridimensionnelles. De manière similaire une source rectangulaire modulable sera utilisée.
-Convection naturelle
-Ventilation par déplacement
Many industrial processes use or generate hot sources: furnaces, surface treatment, welding... the releases of heat are generally accompanied by a dispersion of pollutants in the workshop. Thus, the characterization of the plumes of natural convection of the thermal sources is necessary to the dimensioning of the installations of ventilation (exhaust system localised or general ventilation by air volume displacement) for the cleansing of environments of work. I.N.R.S developed an experimental method to characterize in real-scale the plume of thermal sources of simple geometry. A test bench was realised and instrumented for this purpose. It consists of an aeraulic cell whose dimensions are 4,2 m x 4,8 m x 5,6 m equipped with a power station of treatment of air and with a system of ventilation allowing a vertical displacement of flows of air. The cell is equipped with a robot of three-dimensional displacement allowing the positioning of speed and temperature sensors in any point of volume. The carried out experiments study the influence of the geometry of the source on the laws of development of plume starting from measurements of fields of temperature and speed. For the same convective thermal power, the geometry of the sources will be varied to identify its multitude on the development of the plume. A cylindrical source made up of five elements of identical surfaces (4 superimposed identical cylinders and a higher disc) controlled independently in temperature will make it possible to undertake parametric studies on three-dimensional sources. In a similar way a flexible rectangular source will be used.
Source: http://www.theses.fr/2008NAN10004/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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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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