154

Chapitre 6

Détermination expérimentale d'un écoulement de ventilationnaturelle dans une cavité isotherme comportant uneouverture. Confrontation aux résultats numériques

6.0 - IntroductionNous avons pu bénéficier du dispositif expérimental de visualisation d'écoulement du LEPTAB de

l'Université de La Rochelle, situé dans un hall de l'I.U.T. de La Rochelle. Il s'agit d'un banc

hydraulique grâce auquel nous avons pu visualiser l'écoulement se produisant dans une cavité

isotherme ventilée par une ouverture unique. Nous réalisons parallèlement la simulation numérique

de cet écoulement en dimension 2, et confrontons le champ de vitesse calculé au résultat de nos

expérimentations.

6.1 - Visualisation d'écoulement

6.1.1 - Description du dispositifLe dispositif expérimental est constitué d'un canal hydrodynamique en béton contenant de l'eau, de

dimensions 20× 1.20× 0.80 m, équipé d'un chariot motorisé entraîné par un moteur électrique

permettant d'atteindre des vitesses jusqu'à 5 m/s. Ce chariot se déplace grâce à des roulettes sur des

rails disposés sur toute la longueur du canal. Sont fixés sur le chariot la maquette, le système

d'éclairage et la caméra permettant l'acquisition des images. L'ensemble maquette + caméra +

éclairage est parfaitement solidaire et se déplace donc simultanément (figure 6.1).

Le plan de l'écoulement à visualiser est éclairé par le biais d'un laser continu à Argon, de puissance

7 W (modulable). Le rayon laser est acheminé par une fibre optique, et dispersé en une mince nappe

lumineuse plane , d'ouverture 40°, par le biais d'un collimateur fixé au chariot.

La visualisation est possible grâce à la présence dans l'écoulement d'un traceur : il s'agit de

particules solides dites de Rilsan, ayant la propriété d'être fortement réfléchissantes, quasi

sphériques, de densité proche de celle de l'eau (1.06). Les particules employées lors de cette

expérimentation avaient environ 100 µm de diamètre.

L'acquisition des images dans un plan horizontal se fait par le biais d'une caméra CCD, ayant la

fonction d'intégration. La trajectoire des particules pendant le temps de pose de la caméra laisse une

trace, permettant d'accéder au champ de vitesse en norme et en direction.

La cellule étudiée est en Plexiglas de 8 mm d'épaisseur. Ses dimensions extérieures sont 15 × 15 ×25 cm. Elle comporte selon le cas une ou deux ouvertures, mesurant 5.5 x 5.5 cm, centrées dans les

faces de plus petit côté.

155

(1) Chariot mobile, (2) caméra, (3) cellule en Plexiglas, (4) collimateur, (5) laser.

Fig. 6.1. Schéma du dispositif expérimental (les proportions ne sont pas respectées).

6.1.2 - Protocole expérimentalLa visualisation de l'écoulement se fait dans un plan horizontal, à mi-hauteur de l'ouverture.

La série de mesures réalisée correspond à une vitesse de l'écoulement extérieure constante : la

vitesse du chariot est ajustée manuellement en chronométrant le temps mis pour parcourir une

distance connue, jusqu'à atteindre la vitesse désirée. En vue d'une confrontation ultérieure avec les

résultats numériques, une vitesse de 1.4 m/s est choisie.

Nous examinons l'effet de l'incidence de l'écoulement extérieur sur l'écoulement se produisant dans

la cavité.

Le déroulement d'une séquence de mesure est le suivant :

1) Ajustement de l'orientation de la cavité pour atteindre l'angle d'incidence α souhaité.

2) Ajustement au mieux de la position de la caméra pour que son champ visuel couvre une grande

partie de la cavité. Il n'a pas toujours été possible de visualiser entièrement la cavité compte tenu de

l'encombrement (de nombreux supports sont présents sur le chariot).

3) Eventuellement, ajustement de la position du collimateur pour limiter la présence d'ombres.

4) Injection de particules de Rilsan dans la cavité à l'aide d'une seringue, et brassage à l'aide d'une

tige métallique.

5) Réglage de la luminosité et du temps de pose de la caméra.

6) Dès que les particules dans la cavité sont suffisamment immobiles (mais sans attendre qu'elles

retombent), mise en route du chariot et lancement simultané d'une acquisition, par le biais d'un

logiciel de traitement d'images pilotant la caméra depuis un ordinateur (compatible PC), qui crée le

fichier image correspondant.

Différents facteurs peuvent conduire à altérer la qualité de la visualisation.

• Il existe un décalage d'environ 2 secondes entre l'instant où depuis le PC pilote est donné l'ordre de

faire une acquisition d'image, et celui où celle-ci se fait effectivement. Ceci signifie que le moindre

retard dans cet ordre conduit à une image inexploitable correspondant au retour sur la cavité de la

156

vague produite par le déplacement du chariot, après réflexion sur le mur du fond du banc (figure

6.2).

Fig. 6.2. Evolution de la vague à la surface de l'eau.

• Le choix d'un temps de pose inadapté peut conduire à des images illisibles, un temps de pose trop

court se traduisant par des traces de taille minime, et un temps de pose trop long par de grandes

traces pouvant se chevaucher et par conséquent difficiles à exploiter.

Le tableau 6.1 indique les temps de pose adoptés pour nos mesures.

α (°) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

simple exposition

temps de

pose (s)

1 0.64 0.32 0.24 0.16 0.16 0.08 0.08 0.08 0.08

Tableau 6.1. Temps de pose.

• Le déplacement rapide du chariot peut conduire à des vibrations dans l'ensemble de la structure, en

particulier au niveau de la caméra : ceci se traduit au niveau de la visualisation par des traces

ondulantes laissées par les particules. Une vérification du serrage de toutes les fixations peut limiter

l'ampleur du phénomène, mais dans certains cas il n'a pas été possible de l'éliminer totalement.

• Il n'a pas été possible, en particulier en raison de la présence dans l'eau de dépôts calcaires,

d'ensemencer le canal dans sa totalité. Ceci aurait été souhaitable pour une meilleure visualisation

des écoulements, mais lors du brassage, les dépôts calcaires auraient été mêlés aux particules, ce qui

aurait nuit à la qualité des images. De ce fait, dans les régions où le fluide extérieur entre dans la

cavité, on constate une absence de particules, ce qui est particulièrement gênant quand le fluide

stagne peu dans la cavité2 .

2 Pour cette raison, les expérimentations en ventilation traversante, initialement prévues, n'ont pas été possibles.

157

6.1.3 - Résultats de la visualisationLes figures 6.3 à 6.6 illustrent l'écoulement se produisant dans la cavité lorsque l'incidence α varie

de 0 à 90°.

Pour une incidence nulle, même pour un temps de pose important, seules des traces minuscules ont

pu être observées, ce qui signifie que les mouvements du fluide sont quasiment inexistants. La zone

d'influence de l'écoulement extérieur se limite à une région semi-sphérique au voisinage de

l'ouverture. Dans le reste de la cavité, le fluide est au repos.

Dès que l'incidence de l'écoulement extérieur est non nulle, on distingue clairement la structure de

l'écoulement, le fluide extérieur entrant en partie basse de l'ouverture sur les figures, et donnant lieu

à une grande circulation, fortement décentrée par rapport au plan de symétrie de la cavité. Cette

circulation s'étend sur une profondeur environ égale à la largeur de la cavité, le fond de la cavité

restant une zone peu active. Ceci est particulièrement visible sur les figures 6.3b et 6.3c. Dans la

partie inférieure de l'image, on note dans certains cas une forte turbulence de l'écoulement (figures

6.4b, 6.4c, 6.5b et 6.5c), se traduisant par la présence d'un ou plusieurs tourbillons. On aperçoit dans

le coin supérieur gauche de l'image une petite recirculation. Il en existe une également dans le coin

inférieur gauche, plus difficilement perceptible compte tenu de la rareté des particules.

Il est important de souligner que compte tenu des vitesses en jeu, la longueur du canal ne permet pas

d'atteindre dans la cavité un régime permanent d'écoulement. La réalisation d'un écoulement

permanent nécessiterait un canal de longueur bien plus importante, ou bien une cavité fixe avec un

écoulement continu d'eau. Par conséquent les prises de vues réalisées ne sont que des vues

instantanées de l'écoulement. En particulier, nous avons pu constater qu'au cours du déplacement du

chariot, les tourbillons observés se déplacent dans la cavité.

158

(a)

(b)

(c)

Fig. 6.3. Visualisation de l'écoulement dans un plan horizontal à mi-hauteur de la cavité.

(a) α=0°, (b) α=10°, (c) α=20° (la flèche indique la direction de l'écoulement extérieur).

159

(a)

(b)

(c)

Fig. 6.4. Visualisation de l'écoulement dans un plan horizontal à mi-hauteur de la cavité.

(a) α=30°, (b) α=40°, (c) α=50° (la flèche indique la direction de l'écoulement extérieur).

160

(a)

(b)

(c)

Fig. 6.5. Visualisation de l'écoulement dans un plan horizontal à mi-hauteur de la cavité.

(a) α=60°, (b) α=70°, (c) α=80° (la flèche indique la direction de l'écoulement extérieur).

161

Fig. 6.6. Visualisation de l'écoulement dans un plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 90° (la

flèche indique la direction de l'écoulement extérieur).

6.2 - Confrontation aux résultats numériques

6.2.1. - Conditions de similitudeLe résultat auquel nous nous intéressons est le renouvellement d'air dans la cellule en conditionsisothermes, que nous caractériserons par le débit volumique d'air entrant Qv,in . Une analyse

dimensionnelle menée par ailleurs nous a permis de définir les groupements adimensionnels

caractérisant ce problème. Il en ressort que les simulations réalisées vérifient le respect de l'égalité

des nombres de Reynolds ReH, ainsi que des grandeurs géométriques Wb

Lb

,W

Wb

,e

W, α par rapport

aux conditions expérimentales. Par contre, compte tenu du caractère bidimensionnel de nos

simulations, le rapport W

H n'est pas pris en compte. Les autres conditions de simulation sont celles

décrites en §5.3.3.2.2, avec une vitesse d'écoulement extérieur uniforme égale à 1.4 m/s.

6.2.2. - Allure de l'écoulementL'allure de la solution numérique de l'écoulement est très différente selon que l'écoulement extérieur

est perpendiculaire ou non au plan de la façade. Dans ce premier cas (figure 6.7), le fluide pénètre

dans la cavité par les bords de l'ouverture, et en ressort très rapidement par la partie centrale de

l'ouverture. Deux petites circulations sont ainsi créées, où les vitesses sont plus importantes. En

dehors de cette région, le fluide dans la cavité est pratiquement au repos, ainsi qu'observé lors des

visualisations expérimentales. On remarque également que la simulation numérique ne permet pas

de vérifier parfaitement la symétrie de l'écoulement. Il est vrai que dans cette configuration, plus

encore que lorsque le plan de simulation considéré est le plan vertical, et que l'effet du sol fait que le

profil de vent approchant le bâtiment n'est pas uniforme, on est confronté dans l'ouverture à une

162

situation d'équilibre limite, analogue au cas de la bille positionnée en haut d'une sphère (figure 6.8) :

il suffit de très peu pour qu'une direction soit privilégiée plutôt qu'une autre. Dès que l'incidence de

l'écoulement extérieur s'écarte de la normale à la façade, l'allure de l'écoulement change, et varie

assez peu lorsque l'inclinaison de la cavité varie davantage (figures 6.9 à 6.15) : on observe

l'existence d'une circulation principale dans la cavité, de forme allongée. Cette circulation est

fortement décentrée par rapport à la cavité; elle est en fait centrée par rapport à une zone carrée

s'étendant depuis la façade sur une profondeur égale à la largeur de la cavité. Dans le sens de la

largeur de la cavité, la circulation principale est nettement moins décentrée par rapport au plan de

symétrie de la cavité que ce qui est observé expérimentalement. L'axe principal de cette

recirculation est d'inclinaison variable. Plus l'incidence de l'écoulement extérieur par rapport au plan

de l'ouverture est rasante, plus les dimensions de la recirculation présente dans le coin inférieur

gauche des illustrations augmentent. On note que les mouvements du fluide dans la cavité ne se

produisent pas seulement par viscosité, mais bien par pénétration du fluide extérieur.

Soulignons qu'outre le caractère non permanent des écoulements observés sur maquette, les

phénomènes tridimensionnels ne peuvent pas être reproduits, en particulier les circulations se

produisant perpendiculairement au plan de visualisation.

(a) expérimental

(b) numérique, lignes

de courant

Fig. 6.7. Visualisation de l'écoulement dans le plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 0°.

163

Fig. 6.8. Situation d'équilibre intrinsèquement instable.

(a)

(b)

Fig. 6.9. Visualisation de l'écoulement dans le plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 10°.

(a) expérimental, (b) numérique, lignes de courant.

164

(a)

(b)

Fig. 6.10. Visualisation de l'écoulement dans le plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 20°.

(a) expérimental, (b) numérique, lignes de courant.

165

(a)

(b)

Fig. 6.11. Visualisation de l'écoulement dans le plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 30°.

(a) expérimental, (b) numérique, lignes de courant.

166

(a)

(b)

Fig. 6.12. Visualisation de l'écoulement dans le plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 40°.

(a) expérimental, (b) numérique, lignes de courant.

167

(a)

(b)

Fig. 6.13. Visualisation de l'écoulement dans le plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 50°.

(a) expérimental, (b) numérique, lignes de courant.

168

(a)

(b)

Fig. 6.14. Visualisation de l'écoulement dans le plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 60°.

(a) expérimental, (b) numérique, lignes de courant.

169

(a)

(b)

Fig. 6.15. Visualisation de l'écoulement dans le plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 70°.

(a) expérimental, (b) numérique, lignes de courant.

170

6.2.3 - Champ de vitesse6.2.3.1 - Dépouillement des mesures

Par traitement des images de visualisation d'écoulement, en connaissant le temps de pose de la

caméra, la vitesse du chariot, il est possible, trace par trace, de reconstituer le champ de vitesse dans

le plan de visualisation. Ce dépouillement, long et fastidieux, se fait manuellement et est de ce fait

source d'erreur. Un travail en cours au LEPTAB prévoit l'automatisation de ce dépouillement. En

dépit des incertitudes liées au dépouillement, des ordres de grandeur corrects pour les vecteurs

vitesse, en norme et en direction, sont accessibles.

6.2.3.2 - Confrontation des champs de vitesse

Nous comparons le champ de vitesse donné par la simulation numérique à celui issu du

dépouillement des images de visualisation de l'écoulement, pour une inclinaison de l'écoulement

extérieur par rapport à la normale à la façade allant de 10 à 60°. Le résultat de la comparaison est

donné sur les figures 6.16 à 6.21, où les mêmes échelles de représentation des vecteurs vitesse ont

été respectées.

On observe concernant l'ordre de grandeur des vitesses que les vitesses simulées sont plus

importantes que les vitesses mesurées lorsque l'incidence est faible : un rapport 3 pour 1 entre

vitesses simulées et vitesses mesurées est constaté pour α égal à 10 et 20°, et à mesure que

l'incidence augmente, ce rapport diminue, les vitesses mesurées devenant comparables aux vitesses

calculées. Pour α égal à 60°, les vitesses mesurées sont même supérieures aux vitesses calculées.

Concernant la direction des vecteurs vitesse, il se confirme ici que le caractère décentré de la

circulation générale dans la cavité apparaît insuffisamment numériquement : ceci se traduit par le

fait que la zone de retour du fluide vers l'extérieur par l'ouverture est bien plus importante

expérimentalement. Il faut rappeler cependant que le fait que les défauts de convergence locale sont

d'autant plus importants que l'orientation de l'écoulement extérieur par rapport à la normale au plan

de l'ouverture est faible contribue à expliquer en partie les différences constatées

6.3 - ConclusionLe dispositif sur lequel a été réalisée cette expérimentation est en cours d'optimisation au LEPTAB,

sous la responsabilité de Monsieur ABED-MERAïM. En l'état, ce dispositif ne permet pas

d'atteindre un régime permanent d'écoulement dans la cavité, ce qui fausse en partie la comparaison

avec les résultats numériques.

En dépit des points critiques soulignés, les séries de mesure que nous avons pu réaliser permettent

de confirmer certaines tendances apparaissant lors des simulations numériques, en particulier :

- l'absence d'écoulement dans la cavité pour une incidence nulle de vent, en simple exposition,

- l'augmentation significative des vitesses dès lors que des incidences non nulles sont atteintes.

171

Il n'a pas été possible de déduire des débits de renouvellement du fluide dans la cavité à partir de

cette expérimentation. Ceci aurait nécessité une visualisation de l'écoulement dans une multitude de

plan horizontaux.

172

(a) (b)

Fig. 6.16. Vitesse dans un plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 10°.

(a) expérimental, (b) numérique.

(a) (b)

Fig. 6.17. Vitesse dans un plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 20°.

(a) expérimental, (b) numérique.

(a) (b)

Fig. 6.18. Vitesse dans un plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 30°.

(a) expérimental, (b) numérique.

173

(a) (b)

Fig. 6.19. Vitesse dans un plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 40°.

(a) expérimental, (b) numérique.

(a) (b)

Fig. 6.20. Vitesse dans un plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 50°.

(a) expérimental, (b) numérique.

(a) (b)

Fig. 6.21. Vitesse dans un plan horizontal à mi-hauteur de la cavité. α= 60°.

(a) expérimental, (b) numérique.