Contribution à l'étude des mouvements d'air dans le bâtiment à l'aide d'un code de champ

Regard, Muriel

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• Publié par: Irda
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• Langue: Slovak

Extrait

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Ce travail n'aurait pas été possible sans le soutien de nombreuses personnes qui par leur aide, leurs
conseils, leur support inconditionnel, leur amitié ou leur affection m'ont encouragée à aller jusqu'au
bout de la démarche entreprise. Que toutes ces personnes trouvent ici l'expression de ma plus vive
reconnaissance.
Et plus que tout merci à toi, Ahmad, sans qui tout cela n'aurait aucun sens ...78
Résumé
Les méthodes simples d'évaluation des débits de renouvellement d'air dans le bâtiment constituent
un outil intéressant mais ne sont pas toujours adaptées au calcul du renouvellement d'air par
ventilation naturelle à travers les grandes ouvertures extérieures. L'objectif de notre travail est
d'étudier dans quelle mesure les codes de champ peuvent constituer une alternative à l'emploi de ces
méthodes ainsi qu'au montage d'expérimentations lourdes. Après avoir mis en évidence la dispersion
des résultats fournis par les méthodes simplifiées ou semi détaillées pour l'évaluation du
renouvellement d'air dans un local ventilé par une grande ouverture extérieure en simple exposition,
nous examinons les potentialités et les limites des codes de champ. Dans le cas de la convection
mixte au sein d'une cavité parallélipipédique chauffée creusée dans le plancher d'une soufflerie, nous
étudions la sensibilité des résultats numériques obtenus à l'aide du code CFD Fluent à la finesse du
maillage, au choix du modèle de turbulence ainsi qu'aux conditions imposées en soufflage, et nous
confrontons ces résultats numériques à des résultats expérimentaux de la littérature. Dans le cas
d'une salle de classe ventilée mécaniquement, nous confrontons le champ de vitesse obtenu par
simulation numérique à nos mesures expérimentales réalisées in situ.
Nous réalisons ensuite la simulation numérique de la ventilation naturelle d'un local, en ventilation
traversante et en ventilation simple. Le cas de la ventilation simple fait apparaître des défauts de
convergence locale dans l'ouverture, que nous atténuons grâce à une procédure de résolution en 2
étapes successives. Une visualisation de l'écoulement de ventilation simple dans une cavité est
réalisée à l'aide d'une expérimentation dans un canal hydraulique, et comparée qualitativement aux
résultats numériques. Des corrélations donnant le débit de renouvellement d'air dans le local en
fonction de la vitesse du vent et de l'écart de température entre la cavité et l'ambiance extérieure sont
établies.9
Abstract
Simple methods are useful to evaluate air change rates in buildings but they may prove to be
inaccurate to compute natural ventilation rates through large external openings. The purpose of our
work is to study how CFD codes can be used instead of simplified methods or heavy experiments to
fill this gap. In a first part, the scattering of the results obtained using simplified or semi detailed
methods is pointed out in the case of single sided ventilation through a large opening. The limits
and capabilities of CFD codes have been investigated in the cases of mixed convection inside a
heated open cavity in a wind tunnel, and in the case of a mechanically ventilated classroom. For the
first configuration, the influence of mesh refinement, of the choice of the turbulence model and of
inlet boundary conditions is studied using Fluent CFD code. A comparison between these numerical
results and experimental results found in the literature is also given. For the second configuration,
numerical results have been compared with our full scale experimental results. In a second part,
numerical simulations of natural ventilation in a room have been performed, both in single-sided
ventilation and cross ventilation. In single sided ventilation, some local convergence problems have
been encountered in the opening. A two step solution procedure has allowed us to alleviate them.
Then, an experimental set up in a water channel has been used to visualize the flow pattern in the
cavity. This enabled us to make a qualitative comparison with numerical results. Finally, correlation
equations between air change rates in the room, wind speed and temperature conditions have been
established.10
Sommaire
Nomenclature 22
Introduction 26
Chapitre 1 Les méthodes d'évaluation des débits de ventilation dans
le bâtiment : potentialités et limites 28
1.0 Introduction 28
1.1 Les objectifs de la ventilation 28
1.2 Méthodes simples d'évaluation des débits de ventilation en hiver 29
1.2.1 Méthodes empiriques d'évaluation des débits d'infiltration par les défauts d'étanchéité 29
1.2.2 Codes en pression 32
1.2.2.1. Principe général 32
1.2.2.2 Prise en compte des infiltrations en provenance de l'extérieur 33
1.2.2.3 Evaluation des débits transitant par les grandes ouvertures interzones 34
1.2.2.4 Conclusion 37
1.3 Méthodes simples d'évaluation des débits de ventilation naturelle en été 37
1.3.1 Effets du vent 38
1.3.1.1 Caractéristiques du vent 39
1.3.1.2 Ventilation naturelle d'un local par une grande ouverture en simple exposition 42
1.3.1.3 Ventilation naturelle d'un local par une grande ouverture en double exposition :
modèles simplifiés 45
1.3.2 Effets thermiques 46
1.3.3 Effets combinés du vent et du tirage thermique 46
1.3.4 Conclusion 48
1.4 Codes de champ et ventilation naturelle 48
1.5 Objectifs de notre travail et conclusion 49
Chapitre 2 Codes de champ : potentialités et limites 52
2.0 Introduction 52
2.1 Principes des codes CFD 52
2.1.1 Principes physiques 52
2.1.1.1 Les équations de transport diffusion 54
2.1.1.2 Les modèles de turbulence 56
2.1.2 Méthode de résolution numérique 63
2.1.2.1 La méthode des volumes finis et l'algorithme SIMPLE 63
2.1.2.2 Les différents schémas d'interpolation 64
2.1.2.3 Contrôle et accélération du processus de résolution 6811
2.1.3 Les conditions aux limites 70
2.1.3.1 Entrées ou sorties 70
2.1.3.2 Parois solides (condition type "wall") 71
2.1.3.3 Condition de symétrie 71
2.2 L'usage des codes de champs dans le bâtiment 71
2.3 Difficultés liées à l'emploi des codes CFD 73
2.3.1 La diffusion numérique 73
2.3.2 Le choix de la grille 73
2.3.3 La maîtrise des conditions aux limites 74
2.3.4 Notion d'hystérésis 75
2.3.5 Régime instationnaire 75
2.4 Conclusion 75
Chapitre 3 Sensibilité des solutions numériques d'un code CFD aux
entrées de la simulation : convection mixte dans une cavité 76
3.0 Introduction 76
3.1 Synthèse bibliographique 76
3.1.1 Observations expérimentales 76
3.1.2 Simulation numérique 80
3.2 - Résolution numérique du problème et sensibilité de la solution aux entrées
de la simulation 83
3.2.1 Conditions générales de simulation 83
3.2.2 Choix de la grille 84
3.2.3 Choix du modèle de turbulence 93
3.2.4 Conditions en entrée 96
3.2.4.1 Importance des conditions en turbulence en entrée 97
3.2.4.2 Importance de la prise en compte du profil de couche limite 97
3.3 Conclusion 98
Chapitre 4 Détermination numérique des mouvements d'air dans une
salle de classe. Sensibilité aux entrées de la simulation 100
4.0 Introduction 100
4.1 Contexte de l'étude et description du local 100
4.2 - Mesure expérimentale des champs de vitesse et de température dans une
salle de classe in situ 101
4.2.1 Matériel 101
4.2.2 Déroulement de l'expérimentation 102
4.2.2.1 Mesures de vitesse 102
4.2.2.2 Expérimentation gaz traceurs 103
4.2.3 Résultats 10312
4.3 - Résolution numérique de l'écoulement et première confrontation avec nos
expérimentations 111
4.3.1 Conditions aux limites 111
4.3.2 Autres spécifications 111
4.3.3 Influence de la condition de sortie 112
4.3.4 Confrontation avec l'expérimentation : champ de vitesse 115
4.3.5 Confrontation avec l'expérimentation : concentrations en gaz traceurs 122
4.4 Sensibilité de la solution aux conditions de soufflage 124
4.4.1 Caractéristiques turbulentes du jet de soufflage 124
4.4.2 Direction du jet 128
4.5 Conclusions 128
Chapitre 5 Simulation numérique de l'effet du vent sur le
renouvellement d'air dans une cavité ventilée par une grande
ouverture : simple et double exposition 132
5.0 Introduction 132
5.1 Restrictions pour notre étude 132
5.2 Simu