Contribution à l’étude des transferts thermiques par convection naturelle et par rayonnement dans des systèmes complexes

Abstract

Ce mémoire concerne la modélisation de phénomènes de transfert thermique dans des systèmes physiques complexes. Il comprend deux parties : Dans la première partie consacrée au cas bidimensionnel, les équations de conservation sont résolues par une méthode de volumes finis en conservant la pression et la vitesse comme variables dynamiques du problème. Le couplage vitesse-pression est traité par l’algorithme SIMPLER et les systèmes algébriques obtenus sont résolus par la méthode des gradients conjugués. Les techniques utilisées pour le calcul des facteurs de forme sont la méthode des éléments de frontière pour la discrétion des surfaces et la méthode de Monte Carlo pour l’intégration des expressions formulées. Cette étude a débouché sur la conception et le développement d’un logiciel d’ingénierie scientifique « convrad » qui donne des résultats très satisfaisants pour des problèmes de convention naturelle couplée au rayonnement thermique avec des nombres de Rayleigh allant de 0 à 108. Ensuite, le logiciel « convrad » a été utilisé pour deux configurations géométriques : cavité partitionnée et cavité carrée différentiellement chauffée munie de couches poreuses le log des parois verticales. Ces deux configurations reflètent des applications industrielles telles que le mur Trombe. Le vitrage ventilé ou l’isolation thermique, etc. … La deuxième partie de ce mémoire traite le cas tridimensionnel et présente l’étude du confort thermique dans un habitacle d’automobile. Cette étude s’inscrit dans le cadre des recherches visant à trouver un moyen de diminuer la puissance de climatisation d’un véhicule. Les véhicules électriques, par exemple, sont soumis à de fortes contraintes, vis-à-vis de l’énergie disponible pour leur conditionnement d’air. A cet effet, on a développé le logiciel « nodathem» qui est basé sur la méthode nodale et la méthode de résolution par différences finies. L’étude a consisté alors à tester : *plusieurs vitrages afin d’en sélectionner un qui permet d’avoir un meilleur confort thermique avec une faible puissance de climatisation, * plusieurs stratégies de chauffage et de climatisation, * des composants de l’habitacle susceptibles d’apporter un confort satisfaisant en conditions hivemales et estivales. Les simulations réalisées en conditions estivales montrent que : (i) en chambrage, l’air et les matériaux se trouvent à l’intérieur de l’habitacle atteignent des températures très élevées, d’environ 100°C pour le tableau de bord, (ii) le verre réfléchissant et la peinture blanche diminuent de façon considérable la température à l’intérieur de l’habitacle, (iii) en déchambrage, les matériaux qui profitent le plus sont non isolés et exposés directement aux jets froids des aérateurs, (iv) le confort thermique est meilleur dans la R21 que dans la R25. L’étude numérique effectuée à propos du véhicule électrique a permis de conclure qu’en conditions estivales : une estimation théorique de la puissance électrique consommée par l’air conditionné a été réalisée dans les conditions climatiques standard sur une géométrie d’habitacle de la Renault Clio. En conditions hivemales, il a été montré que le préchauffage du véhicule électrique est la solution la plus couteuse du point de vue de l’énergie payée par l’usager, mais elle est celle qui préserve le mieux l’autonomie du véhicule, tout en garantissant un confort thermique permanent.