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UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA
FACULTE DES SCIENCES APPLIQUEES
DEPARTEMENT
Présenté
SEHAILIA MOHAMED
Pr. Noureddine SETTOU
Dr. Nadia SAIFI
Dr. Belkhir NEGROU
ANNÉE UNIVERSITAIRE: 20
Etude des écoulements de convection naturelle dans l'enveloppe d'un bâtiment
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UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA
FACULTE DES SCIENCES APPLIQUEES
DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE
MEMOIRE
Présenté pour l�obtention du diplôme de
MASTER
Spécialité: Génie Mécanique
Option: Génie Énergétique
Présenté par:
SEHAILIA MOHAMED & FETNI MEBARKA
- Thème -
Soutenu publiquement
Le: 04/06/2016
Devant le jury:
Noureddine SETTOU Université kasdi merbah Ouargla
Université kasdi merbah Ouargla
Université kasdi merbah Ouargla
ANNÉE UNIVERSITAIRE: 2015/2016
Etude des écoulements de convection naturelle dans l'enveloppe d'un bâtiment
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UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA
FACULTE DES SCIENCES APPLIQUEES
GENIE MECANIQUE
BARKA
Université kasdi merbah Ouargla Président
Université kasdi merbah Ouargla Examinatrice
Université kasdi merbah Ouargla Encadreur
Etude des écoulements de convection naturelle
N° d�ordre :
N° de série :
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Remerciement
Dédicace
Résumé
Liste des figures
Liste des tableaux
Nomenclature
Introduction Générale 01
������� ��Contexte
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������� ���Etude du modèle de l'enveloppe d'un bâtiment�
�
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �. II
Etat de l'art 20 2 .II
II.3 Modèle CFD 22
II.3.1 Géomètrie du modéle 23
II.4 Résultats et discussion 24
II.4.1 Validation du modèle CFD 24
II.4.2 Corrélation pour le débit d'air 26
II.5 Corrélation pour les coefficients de transfert convectif 28
II.6 Conclusion 33 �
������� ����Application de l'étude
III.1 Introduction 34
III.2 Consommation énergétique en Algérie par secteur 34
III.3 Consommation énergétique dans le secteur ménager en Algérie 35
III.4 Consommation du d�électricité 36
III.5 Climat et énergie en Algérie 37
III.6 Zones climatiques en Algérie 37
III.7 region d'étude 38
III.7.1 Ouargla 38
III.7.1. A Données géographiques 38
III.7.1. B Données météorologiques 39
III.8 Méthodologie de conception d�archétypes bioclimatique 39
III.9 Archétype d�une région Ouargla 39
III.10 Intégration des solutions bioclimatique dans l�archétype 40
III.10.1 Cheminée solaire 40
III.10.2 Echangeur air-sol 42
III.10.3 végétalisation des espaces au contact et sur les bâtiments 43
III.11 Etude de consommation énergétique dans l�archétype 45
III.11.1 Presentation logiciel TRNSYS 45
III.11.2 Intégration de PMR dans l'archétype 46
III.12 Résultats et discussion 46
III.13 Conclusion 50
Conclusion Générale
Annexe
Bibliographie
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Remerciement
En premier lieu, nous tenons à remercier notre Dieu, notre
Créateur, pour le courage et la patience qu�il nous donné pour
Accomplir ce travail.
Nous remercions notre encadreur Dr.Negrou Belkhir pour ses orientations et conseils. Nous tenon à notifier un remerciement
Spécial à tous mes professeurs qui ont contribué à notre formation de
Master.
Nous tenons aussi à exprimer nos profonds remerciements au
Membres de jury qui ont accepté de jury ce modeste travail.
Nous tenons aussi à remercier nos enseignants de département de
Génie mécanique pour la formation que nous avons reçue.
Nos derniers remerciements et qui ne sont pas les moindres, vont
À tous ceux qui ont contribué de près ou de loin pour l'aboutissement
De ce travail.
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Dédicace
Tout d'abord, Je dédie cet évènement à la mémoire de mon père et ma mère.
J�espère que, de là où il est, il apprécie ce geste comme preuve de reconnaissance de la part de son fils cadet qui a réaliser ce que son père
souhaitait, et qu�il y est arrivé. Puisse Dieu, le tout puissant, lui accorder le paradis !
Je dédie également cette thèse à ma chère mère &à ma grande mère.
À toute la famille Sehailia, ainsi que la famille Gehzal.
À mes frères et je nomme personnellement, salah dinne,Ishak
À tous mes oncles et tantes.
À mes amis(e), chrief , Ramzi, Abdelbasset, , Abdelmoumeim, youcef , Abdelghani,
Enfin, je saisirai aussi cette occasion pour prononcer un mot de gratitude à notre encadreur, Monsieur Negrou Belkhir ont à contribué d'une manière ou d'une autre à l'élaboration de ce travail et à l'ensemble de mes professeurs et
collègues qui ont contribué à la mise à pieds de ce projet.
Qu�il me soit permis de présenter ici mes remerciements à mon amis, professeurs et voisin, qui ont rendu possible la présente thèse et qui ont
contribué à son élaboration sous n'importe quelle forme.
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Dédicace
J�ai le grand honneur de dédier ce travail à celui qui fait
de moi un homme, Ma très chère mère et mon très cher père
A Ma chère s�ur et à mes frères
A toute ma famille FETNI.
A notre Encadreur NEGROU BELKHIR .
A tous mes amis
A tous ceux qui sèment le bonheur sur mon chemin.
A toutes les enseignantes et tous les enseignants de génie
Mécanique
A tous ceux que j�aime.
FETNI MEBARKA
Liste des figures
Figure (I.1) Isolant mince réfléchissant multicouche 03
Figure (I.2) Isolant mince réfléchissant à bulles 03
Figure (I.3) Principe de fonctionnement du PMR 04
Figure (I.4) Mise en oeuvre au niveau d�un mur vertical 05
Figure (I.5) Mise en �uvre des PMR en rampant de toiture 06
Figure (I.6) Ventilation d�une toiture intégrant un PMR 06
Figure (I.7) Cavité 3D chauffée différentiellement 10
Figure (I.8) Cavité inclinée chauffée différentiellement 11
Figure (I.9) Cavité d�air rectangulaire chauffée différentiellement 12
Figure (I.10) Configuration géométrique de cette cavité 13
Figure (I.11) Comparaison des résultats de modèle numérique avec les corrélations de
littérature pour un allongement A=10
15
Figure (I.12) Comparaison des résultats de modèle numérique avec les corrélations
la littérature pour un allongement A=20
15
Figure (I.13) Comparaison des résultats de modèle numérique avec les corrélations de la
littérature A=33
16
Figure (I.14) Comparaison des résultats de modèle numérique avec les corrélations de la
littérature A=40
16
Figure (I.15) Comparaison des résultats de simulation avec la corrélation
Yang
17
Figure (I.16) Comparaison du Nu pour une lame d�air de différentes
inclinaisons (A = 20)
18
Figure (II.1) Section longitudinale et transversale dans le système d�enveloppe de
bâtiment
21
Figure (II.2) Modèle CFD représentant le thermosiphon 22
Figure (II.3) Résultats de débit massique des études expérimentales
et numériques
25
Figure (II.4) Résultats pour le débit massique 27
Figure (II.5) Les résultats numériques des nombres de Nussel pour différents 29
apports d'aspect
Figure (II.6) Les résultats numériques des nombres de Nusselt Pour différents
angles d'inclinaison
29
Figure (II.7) Comparison des résultats du number de Nusselt Azevedo
Corrélation et les simulations numériques
30
Figure (II.8) Comparaison des résultats de Nusselt 32
Figure (III.1) Consommation d�énergie par secteur en 2012 35
Figure (III.2) Consommation d�énergie dans les différents secteurs en ktep 35
Figure (III.3) Evolution de la consommation électrique nationale dans Le secteur
ménager en GWh
36
Figure (III.4) Zonage climatique de l�Algérie 38
Figure (III.5) Situation géographique d'Ouargla 38
Figure (III.6) Archétype proposé 40
Figure (III.7) Types de cheminée solaire selon l�ouverture d�entrée et leur position Pour
la ventilation naturelle
41
Figure (III.8) Consommation énergétique pour l�archétype. Sans et avec
cheminée Solaire
41
Figure (III.9) Schéma de principe d�un échangeur air-sol 42
Figure (III.10) Consommation énergétique pour l�archétype Sans et avec
l�échangeur Air sol
43
Figure (III.12) Consommation énergétique pour l�archétype sans et avec
la vegetation
44
Figure (III.13) Interface du logiciel TRNYS 45
Figure (III.14) l'intégration de PMR dans l'archétype 46
Figure (III.15) Consommation énergétique pour l�archétype avec PMR et avec
PMR+SBC et sans SBC
47
Figure (III.16) Consommation énergétique pour l�archétype avec VITRE et avec
VITRE+SBC et sans SBC
48
Figure (III.17) Consommation énergétique pour l�archétype avec PMR et avec
VITRE et Sans SBC
49
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Liste des tableaux
Tableau (I.1) ��������������� ��������������������� 19
Tableau (II.1) Cas testés dans le dispositif expérimental 24
Tableau (II.2) Présente les résultats obtenus par simulation CFD 25
Tableau (II.3) Débits massique calculé par corrélation et CFD 27
Tableau (II.4) Cas simulées dans le code CFD 31
Tableau (III.1) Consommation énergétique pour l�archétype sans et avec les solutions
bioclimatique
47
Tableau (III.2) pourcentage de le Consommation énergétique pour deux
matériaux PMR et VITRE par rapport le cas sans solution pour
l�archétype
50
Nomenclature��
Symboles Grandeur Unités
A l�allongement /
b épaisseur m
Cp Capacité thermique massique J/kg.K
D Diamètre m
g Accélération de la pesanteur m/s2
h Coefficient de transfert de chaleur convectif W/m2.K
H hauteur m
� Débit massique � kg/s
S Surface m2
T Température K
q Densité de flux thermique W/m2
v, V Vitesse m/s
W Largeur d�une lame d�air m
x, y, z Coordonnées cartésiennes m
�
Lettres Grecques
� Coefficient de dilatation thermique 1/K
� Écart, différence K
� Coefficient d�absorption -
� flux de chaleur en convection W
� Emissivité -
� Conductivité thermique W/m.K
� Viscosité dynamique Pa.s
� Masse volumique kg/ m3
Viscosité cinématique m2/s
Angle d�inclinaison par rapport à l�horizontale °
� Constante de Stefan-Boltzmann 5.68x10-7 W/m2.K4
�
�
Nomenclature��
Nombres adimensionnels
Nu Nombre de Nusselt h.d �
Pr Nombre de Prandt Cp.� � Re Nombre de Reynolds �. V.d �
Ra Nombre de Rayleigh g.�.�T.d3.Pr 2 A Allongement H b
Gr Nombre de Grashof Ra Pr Indice :
a absorbé
c cooling
h heating
w plate surface
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e émis
i incident
r réfléchi
s sortie
1 paroi chaude
2 parois froides
Abréviations :
��������������������������Computational fluid dynamics
FSEC Florida Solar Energy Center
PMR Produit mince réfléchissant
PCL Passive Cooling Laboratory
PIV Vélocimétrie à image de particules
SBC Solutions BioClimatiques
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Introduction Générale �
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Introduction Générale
Grâce à certaines des projections sur l'hypothèse que la croissance économique au cours des
dernières années se poursuivra tout au long du 21éme siècle comme si notre consommation
d'énergie va croître indéfiniment et il peut donc suivre l'isolation thermique de la
consommation d'énergie dans le secteur des bâtiments.�La convection naturelle a toujours été
un mode de transfert attrayant dans l'ingénierie thermique. En effet, un grand nombre d'études
des cavités rectangulaires, inclinés, vertical minces et peu profondes avec différentes
conditions aux limites ont été intensivement considérées par des chercheurs.
En fait, beaucoup de perte de chaleur est par les murs et le plafond et le plancher, Par
conséquent, la recherche a augmenté la chaleur dans l'enveloppe du bâtiment, en particulier
l'isolation thermique, qui joue un rôle important dans le contrôle principalement sur
l'amélioration de la performance thermique de l'isolation thermique Parmi ces isolateurs
PMR (produits minces réfléchissants). [1]
Cette dernière technique d�isolation par isolants minces réfléchissants regroupe la
performance isolante des parois ainsi que celle des lames d�air qui, délimitées par des
barrières à faible émissivité thermique, réduisent les transferts de chaleur par rayonnement.
l�objectif principal de ce travail est de réaliser une caractérisation complète des PMR intégrés
dans les bâtiments , Et l'étude de les écoulement de convection naturelle par la modélisation
et étude numérique pour obtenir une meilleure connaissance des phénomènes physiques
induits par ce type de produits d�isolation.
La présentation de ce mémoire est comme suit:
Le premier chapitre est consacré à des généralités et une synthèse bibliographique des
travaux théoriques, expérimentaux et numériques ayant trait à la convection naturelle dans des
cavités avec des parois différance chouffe, en fin validation le choix de model pour les trois
cas verticale, horizontale et incline.
Le deuxième Chapitre étudie le transfert thermique et l�écoulement d�air induit par
thermosiphon , et proposée des corrélations.�Sont exposées dans ce chapitre est ce dans le but
d�introduire le lecteur aux notions qui sont à la base de ce travail ainsi que pour situer notre
travail par rapport à ceux de la littérature.
Le troisième chapitre est consacré au développement d'une méthode de comparaison entre
sans et avec solutions bioclimatique avec l'intégration de produits minces réfléchissants pour
Introduction Générale �
�
��
�
l�archétype d'habitation sélectionnés. Et son impact sur la consommation d'énergie après
l'intégration de ce produit (PMR).
Enfin, la conclusion synthétise l�impact de l�intégration du PMR dans les complexes de parois
verticales, inclinées et dans les rampants de toiture. Le niveau d�isolation thermique apporté
par ces produits est évalué.
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Chapitre I Contexte�
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I.1. Introduction : L'isolation thermique améliorée à travers les murs, les planchers, la toiture et les parois
vitrées résultant de la consommation d'énergie dans le secteur du bâtiment et bien entretenu à
l'intérieur en utilisant un minéraux fibreux et produits mince réfléchissant et d'autres, et ces
exemples sont des isolants utilisés sur les murs, les planchers, la toiture et les parois vitrées
pour réduire le transfert de chaleur , Et de caractériser ces produits minces réfléchissants et de
déterminer leur performance lorsqu'ils sont combinés dans le bâtiment ou dans d'autres choses
telles que les appareils de séchage et d'autres applications . Donc, il est devenu une étude
numérique et expérimentale de convection naturelle très intéressant et compte tenu de
l'importance dans le chauffage et le refroidissement des bâtiments.
Dans ce chapitre, nous traitons avec le phénomène physique en raison de la différence de
température, ce qui est ce qui est connu comme une convection naturelle ainsi que la
contribution des produits minces réfléchissants, pour cette étude a été faite de la théorie et
numérique résoudre le problème de transfert de chaleur et de valider les résultats numériques,
pour certaines des études de cas que nous avons choisis. Et ceci est ce qui nous fait d'atteindre
le confort thermique.
I.2. Description des produits minces réfléchissants :
Les Produits Minces Réfléchissants (PMR) sont constitués de Couches de papier d'aluminium
sur les deux côtés. Ils comprennent des couches intermédiaires de différentes natures d�une ou
plusieurs Il a une bonne émissivité, qui peut varier de 0,05 à 0,2 selon les produits. Il existe
deux grandes familles de produits réfléchissants. [1]
�
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Figure (II.2) : Isolant mince réfléchissant Figure (II.1) : Isolant mince réfléchissant
à bulles. [2] multicouche. [2]
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Chapitre I Contexte�
���
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I.2.1. Principe de fonctionnement : Ces produits ont une performance thermique intrinsèque réduite du fait de leur faible
épaisseur. Leur surface réfléchissante permet d'améliorer la performance Thermique globale
d'une paroi lorsque le produit est en contact avec une lame d'air non ventilée. Lorsqu'il est
inséré entre deux lames d'air, il est impératif qu'il n'y ait pas communication entre ces lames
d'air car sinon le produit se trouve shunté (court-circuité) et n'apporte plus
l'isolation prévue. Si les conditions de non ventilation et de non communication des lames d'air
sont remplies, la faible émissivité des faces externes du produit en contact avec ces lames d'air
permet en effet d'augmenter la résistance thermique de ces lames d'air. [1]
.�
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Figure (I.3) : Principe de fonctionnement du PMR. [2]
Les équations suivantes peuvent être tirées de la figure (1.3) :
���� � �� � �
� � ��� � ��� (approximation des corps gris)
� � ��� � �������
Où qi, qr, qa, et qe représentent respectivement les densités de flux incident, réfléchi, absorbé
et émis (W/m2). Les paramètres � et � sont les propriétés radiatives du PMR, respectivement
le coefficient d�absorption et l�émissivité, T est la température du PMR, M0 est l�émit d�un
corps noir dans les mêmes conditions de températures et � est la constante de Stefan-
Boltzmann.
Chapitre I Contexte�
���
Il ressort de ces équations que, pour une émissivité de 0,05 des faces réfléchissantes du PMR
seulement 5 % de l�énergie incidente est absorbée. Par ailleurs, en considérant que
l�émissivité des matériaux généralement utilisés dans le bâtiment est de l�ordre de 0,9, un
PMR, dans les mêmes conditions de température, émettra 5,5 % de l�énergie émise par les
autres matériaux du bâtiment. [2]
I.2.2. Mise en ouvre :
La contribution des PMR à l�isolation thermique des parois est étroitement liée à la mise en �uvre du produit sur le chantier et notamment l�aménagement ou non d�une (ou de deux) lame(s) d�air adjacente(s) au produit. Comme mentionné précédemment, la présence des lames d�air est très importante, elle permet aux feuilles réfléchissantes du PMR de réduire les échanges radiatifs dans le volume d�air améliorant ainsi la résistance thermique totale de la paroi. [2]
Les PMR sont couramment utilisés en rampants de toiture Figures (I.5 et I.6) et en plafond, en murs et en plancher bas lourd ou léger et plus rarement sous chape flottante. En rampant le PMR peut être posé soit par-dessous les chevrons soit par-dessus aménageant ainsi une ou mieux deux lames d�air de part et d�autre du produit. Dans le cas d�une pose sur volige il est fortement recommandé de créer une lame d�air entre la volige et l�isolant. La ventilation peut se réaliser soit par les tuiles chatières basses et hautes, soit par ventilation basse et tuiles faîtières ou cloisoirs ventilés. [3]
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Figure (I.4) : Mise en oeuvre au niveau d�un mur vertical . [2]
�
�
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Chapitre I Contexte�
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�
�
�
�
�
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Figure (I.5) : Mise en �uvre des PMR en rampant de toiture. [3]
�
�
�
�
�
�
�
�
Figure (I.6) : Ventilation d�une toiture intégrant un PMR. [3]
I.2.3. Controverses existantes sur les performances des PMR intégrés dans
le bâtiment :
Les études dans ce domaine ont été initiées par le Florida Solar Energy Center(FSEC) , qui
dispose de moyens importants pour la mise en évidence des performances thermiques des
PMR et de tout autre système ou matériau d�isolation thermique. C�est ainsi que des tests ont
été conduits pour déterminer l�influence des PMR sur l�enveloppe des bâtiments, notamment
le toit, en 1982. deux types de tests en environnement naturel ont été réalisés : des tests au
laboratoire du FSEC, le Passive Cooling Laboratory (PCL), bâtiment de grandes dimensions
dans lequel sont aménagées des cellules expérimentales, thermiquement isolées les unes des
autres, et des tests dans des maisons occupées, réhabilités en utilisant des PMR. [4]
Par ailleurs, depuis leur apparition jusqu�à l�heure actuelle, aucune norme spécifique n�a été
établie pouvant leur conférer des performances thermiques certifiées. Pour cela, différents
Chapitre I Contexte�
���
travaux ont été réalisés par la suite, chacun présentant une méthode d�évaluation différente et
des résultats qui, pour certaines études, sont très différents. Ces travaux étudient
principalement les performances thermiques des complexes de PMR et l�impact de leur
installation dans les parois du bâtiment, généralement les combles et les murs. D�autres
travaux évaluent les impacts de l�empoussièrement, de l�humidité et de la ventilation sur leur
fonctionnement, ces derniers ne sont pas intégrés dans ce travail. [2]
I.3. Conclusion sur l'étude bibliographique :
Sur la base de ce qui a été étudié bibliographie nous montre Qu'il ya des études ont conclu que
le produit PMR isolation inadéquate , Et d'autres trouvent que ces produits doivent être
utilisés dans l'isolement , ainsi que réalisé l'étude sur les phénomènes qui se produisent sur les
murs avec un PMR, en particulier dans les lames d'air , ainsi que sur le plan de l'exécution
complète de la PMR Note et ici, nous continuons nos recherches sur la validité des résultats
de ces produits (PMR) .
I.4. Méthodologie de travail :
Pour étude les écoulements de convection naturelle Il a été établi une méthodologie dans cette
affaire à propos de tous les phénomènes thermiques qui se produisent dans le bâtiment , et
l'intégration de la PMR dans les parois latérales et le plafond afin de mieux comprendre le
mouvement de l'air dans un espace d'air fermées . Le premier chapitre a pour but de connaître
et de respecter le transport de chaleur convection naturelle dans des espaces d'air non
ventilées et les lois de cette étude comprend des études théoriques et expérimentales et
numériques réalisées pour résoudre ce problème .
Dans le deuxième chapitre sont l'�uvre de la simulation numérique en utilisant le code
CFD(Fluent 6.3.26) pour determination des paramétrs intervenant dons l�écoulement de
convection naturelle.
Enfin extraire les résultats de la modélisation pour une conclusion sur la performance
thermique de la PMR et obtenir une évaluation complète de la performance réelle de ces
produits réfléchissants mince�
Chapitre I Contexte�
���
I.4.1. Rappel des lois fondamentales :
La convection est un transfert de chaleur entre une surface et un fluide à son contact. Le
déplacement de la chaleur au sein du fluide engendre un mouvement de ses molécules d�un
point à un autre. Lorsque les molécules d�un fluide froid, tel que l�eau ou l�air, sont en contact
avec une paroi chaude, une partie de l�énergie de vibration animant les molécules
superficielles de solide se communique aux molécules voisines du fluide. [5]
I.4.1.1. Convection naturelle :
La convection naturelle est un phénomène de la mécanique des fluides, qui se produit
lorsqu'un gradient induit un mouvement dans le fluide. Le gradient peut être de différente
nature, telle la température ou la concentration d'un soluté. La masse volumique est en général
fonction de la température et un gradient de température implique une différence de masse
volumique au sein du fluide. Cette différence de masse volumique implique une différence de
la poussée d'Archimède et donc crée un movement, De tels déplacements s'appellent des
movements de convection. [6]
En outre , ce type de chaleur maintient ensemble deux effets de la convection et conduction ,
et le mouvement plus rapide du fluide à chaque fois que le transfert de chaleur plus
importante pour expliquer le cette phénomène d'un certain nombre de chercheurs a étudié le
transfert de chaleur à partir des différents modèles de convection naturelle Ils ont trouvé des
relations expérimentales et numériques entre le nombre (Ra ) Rayleigh et Nusselt ( Nu ) .
I.4.1.2. Calcule du coefficient de transfert thermique :
Il y a beaucoup de relations empiriques qui donnent de la valeur de ce paramètre, cette
relations Prendre en les nombrer adimensionnels et la relation entre cette nombre sont [7] �
�� � ������ �� Ou��� � ������ �� (I.1)
Pour les écoulements laminaires, les modèles numériques actuels sont capables de résoudre
facilement les problèmes de convection naturelle dans les espaces confinés. Par contre, pour
les écoulements instationnaires voire turbulents, les recherches se sont multipliées afin de
cerner les phénomènes qui provoquent l�apparition des instationnarités et les modèles
numériques présentent jusqu�à aujourd�hui des limites de résolution. [2]
Pour un écoulement à temperature T� autour d'une structure à temperature de surface
uniforme TS et d'aire A, l'expression du flux de chaleur en convection � est la sauivante :
Chapitre I Contexte�
���
� !"# � $%�&' � &�� (I.2)
� !"#�En watt (W) et h est le coefficient de transfert thermique en W par mètre carré et par K
(W/m2.K), (W(m!2(K!1). [8]
Le nombre adimensionnel de Nusselt est introduit. Il représente le rapport entre le transfert
thermique convective et le transfert par conduction. Ce nombre de Nusselt présente dans sa
formule la densité surfacique de flux non radiatif q et est donné par la formule suivante:
)* �+�,-
. (I.3)
Caractérise l'echange thermique entre le fluide et la paroi
��/ � 0/
��1 (1.4)
Avec : �2 � &3 � &4�
q est la densité surfacique de flux thermique moyen non radiatif (W/m2), b est l�épaisseur de
l�espace entre parois isothermes (m), � est la conductivité thermique de l�air à Tm (W/ m.K),
T1 et T2 les températures respectives des deux parois isothermes chaude et froide (K).
Le nombre de Prandtl est défini par l�expression suivante :
�� �567
. (I.5)
Caractérise les propriétés thermiques du fluide
Le nombre de Rayleigh est défini par l�expression suivante :
�
��8 �9,:,;1,/<
=>, ?� (I.6)
Pour cela , les nombres adimensionnels Nusselt , Rayleigh et Prandtl et Grachof Voir
(Annexe 1).
La densité surfacique du flux de chaleur échangé entre les deux surfaces isothermes q
exprimée dans le nombre de Nusselt est donc donnée par la fonction de dépendance suivante :
Nub= f (Rab, Pr, A) (I.7)
Chapitre I Contexte�
��
D�où @ � A/
Dans notre étude, le fluide présent dans les cavités fermées est de l�air. Le nombre de Prandtl
peut alors être considéré comme une constante égale à 0,71. Par la suite le nombre de Nusselt
est fonction du nombre de Rayleigh et de l�allongement A. [2]
Nub = f (Rab, A) (I.8)
I.4.2. Différents études numériques et expérimentales de la convection
naturelle dans les cavités d'air :
�La plupart des études numériques traitent le problème de la convection naturelle dans les
espaces confinés par des simulations 2D. L�écoulement dans la troisième direction est
considéré négligeable, surtout quand la longueur dans la troisième dimension W est largement
supérieure à celle entre les parois actives.
Figure (I.7) : Cavité 3D chauffée différentiellement. [2]
Manz [9] [Manz, 2003] a vérifié cette hypothèse en calculant le nombre de Nusselt obtenu
pour une cavité tridimensionnelle d�allongement 20 et de troisième dimension W égale à 0,4
m. L�écart obtenu entre les deux nombres de Nusselt calculés d�après les simulations 3D et
2D est inférieur à 2 % et ceci pour des nombres de Rayleigh allant de 2,8.10³ à 9,1. 105. [2]�
I.4.2.1. Cavité inclinée chauffée différentiellement :
Outre les dimensions et les conditions thermiques des surfaces délimitant la cavité, des articles de la littérature ont insisté sur l�importance de l�effet de l�angle d�inclinaison de la lame d�air sur le régime du flux convectif intérieur et sur le transfert thermique à travers cette cavité. Buscalioni [10] [Buscalioni, 1998] a démontré qu�au-delà d�une certaine valeur du nombre de Rayleigh, l�inclinaison de la lame d�air peut créer des instabilités ainsi que l�établissement de mécanismes complexes inattendus.
Chapitre I Contexte�
��
Figure (I.8) : Cavité inclinée chauffée différentiellement. [2]
Puisque le transfert convectif dans les cavités d�air peut être contrôlé suivant le besoin en
faisant varier différents paramètres, les études réalisées sur ce sujet ont pour objectif principal
de mieux maîtriser les échanges thermiques et l�écoulement d�air à l�intérieur de ces cavités.
Dans ce qui suit, l�état de l�art des travaux réalisés dans la littérature sont divisés en trois
parties : les cavités d�air verticales ( � =90° ), � étant l�angle d�inclinaison entre la paroi
chaude et l�horizontale, les cavités horizontales chauffées par le bas (� =0° ) et les cavités
d�air inclines (0 °< � < 90° et 90° < � < 180°). [2]
I.4.2.2. Cavité verticales chauffées différentiellement :
Le transfert thermique par convection naturelle et l�écoulement d�air dans les lames d�air
verticales ont fait l�objet de plusieurs études numériques et expérimentales. Ces cavités
verticales allongées intégrées dans le bâtiment se trouvent essentiellement dans les unités
d�isolation des fenêtres (double vitrage), les murs multicouches, les façades à double peaux,
les portes, les façades intégrant des capteurs solaires et les panneaux d�isolation transparents
ou à faces peu émissives.
Pour de nombreux chercheurs, comme par exemple Batchelor [11] [Batchelor, 1954], qui ont
étudié la convection naturelle dans les espaces fermés, la solution du problème intégrant les
résultats des profils de vitesse et de température à l�intérieur de la cavité peut être exprimée en
termes du nombre de Rayleigh Ra, du nombre de Prandtl Pr et de l�allongement A de la
cavité, qui est le rapport de la hauteur H des parois actives sur l�épaisseur b figure (I.9).
Chapitre I Contexte�
���
Figure (I.9) : Cavité d�air rectangulaire chauffée différentiellement. [12]
Eckert et Carlson [13] [Eckert, 1961] ont étudié expérimentalement le champ de température
au sein des cavités verticales fermées chauffées différentiellement. Ils ont proposé la
classification des écoulements d�air au sein de ces cavités en trois régimes : le régime de
conduction, de transition et de couche limite. Le principal critère de différentiation entre ces
régimes est le gradient de température horizontal dans la zone centrale de la cavité.
Yin [14] [Yin, 1978] a également étudié par expérimentation la convection naturelle dans une
cavité parallélépipédique verticale chauffée différentiellement. Les surfaces horizontales de la
cavité étaient bien isolées afin d�assurer leurs adiabaticités. La corrélation qu�il a développée
(eq I. 9) regroupe 94 % de ses résultats expérimentaux avec une déviation maximale de 20
%. L�expression du Nusselt est valable pour une plage donnée du Rayleigh allant de 1,5.10³ à
7.106et pour un allongement qui varie de 4,9 à 78,7 :
�� � B,CD E %FG,4H4 E ��8G,3IJ (I.9)
ElSherbiny [15] [ElSherbiny, 1980] a trouvé une méthode de séparation de l�effet des deux
paramètres intervenant dans le nombre de Nusselt. Cette méthode consiste à faire varier le
nombre de Ra en modifiant la pression du fluide à l�intérieur de la lame d�air, donc sans faire
varier l�épaisseur de la lame d�air. [2]
(I.10) )*4 � B,BKBL E ��8M<
Chapitre I Contexte�
���
)I.11( )*3 � NO P QG,4GRESTUV,>W<4X�Y<MVZ[U M,<Y\H]
M<
)I.12( )*H � B,C^C E �STU_ M<
�� � `ab��)*4� )*3� )*H
A=20 : ��8 c C E OBI
A=40 : ��8 c C E OBd
A=80 : ��8 c D E OBR
I.4.3. Modélisation des écoulements de convection naturelle :
I.4.3.1. La mise en équation du système:
Les équations régissant les mouvements d'un fluide l�expriment à travers les trois
fondamentales lois de conservation : la conservation de la masse et de la quantité de
mouvement du fluide (équations de Navier-Stokes), ainsi que la conservation de l�énergie et
L�approximation de Boussinesq. [12] (La démontration sur annexe 1)
I.4.3.2. Modélisation d�une lame d�air verticale :
La figure (I.10) représente une cavité parallélépipédique d�épaisseur b, de hauteur H.
Figure (I.10) : Configuration géométrique de cette cavité. [2]
Chapitre I Contexte�
���
La hauteur H est fixée à 0,5 m. La largeur est également fixée à 0,5 m. La modification de
l�épaisseur b crée les variations de l�allongement, b prend les valeurs suivantes : 5, 2,5 et 2
cm. L�allongement vertical prend donc les valeurs respectives suivantes : 10, 20, 33 et 40
Le fluide à l�intérieur de la cavité est considéré newtonien et incompressible. Puisqu�on étudie
le transfert de chaleur qui se produit uniquement par convection naturelle, le rayonnement
n�est pas pris en considération dans le modèle numérique. La dissipation de la chaleur par
frottement visqueux est négligée. Le fluide à l�intérieur de la cavité est de l�air (Pr = 0,71).
L�approximation de Boussinesq est considérée, Pour les conditions aux limites des parois, des
conditions de non-glissement sur toutes les parois de la cavité sont adoptées. Les deux parois
verticales sont considérées isothermes.
T1 est la température de la paroi chaude et T2 celle de la paroi froide. Les autres surfaces
délimitant la cavité sont considérées adiabatiques, donc à flux thermiques nuls .
L�accélération gravitationnelle g est prise en considération, elle a une valeur de 9,81 m/s².
L�étude est réalisée pour l�écart de températures entre les deux parois chaude et froide et
différentes de 5 K à 173 K et pour différents nombres de Rayleigh allant de 10² à 5.105 , Le
modèle utilisé pour les simulations numériques réalisées est donc le modèle d�écoulement
laminaire donc le nombre de Rayleigh des différentes lames d�air verticales prises en compte
dans cette étude reste toujours inférieur au Ra critique.
Afin d�obtenir des résultats satisfaisants et précis, le maillage adopté durant toute l�étude
numérique est un maillage non uniforme et des variations plus importantes des propriétés
thermo physiques de l�air, une résolution très fine du maillage est alors choisie près des
parois. Le maillage a été vérifié avant d�être adopté. [12]
La modélisation précédente suivie du calcule numérique par Fluent du flux de chaleur puis de
nombre Nusselt et nombre de Rayleigh, nombre de Nusselt sera calculé pour chaque
simulation numérique en utilisant la densité surfacique de flux thermique moyen échangée
entre les deux surfaces isothermes.
Les valeurs du nombre de Nusselt calculées par des simulations numériques sont comparées
aux différentes corrélations de la littérature [Yin] et [ElSherbiny] et ceci pour un même
allongement de cavité : 10, 20, 33 et 40. Le calcul du nombre de Nu moyen se fait d�après
l�équation :
ef�g � h gijk . (I.13)
Chapitre I Contexte�
���
Pour un allongement de 10, la figure (I.11) montre que les résultats de simulations
numériques sont très rapprochés de la courbe de [Yin] et [ElSherbiny].
Figure (I.11) : Comparaison des résultats de modèle numérique avec les corrélations de la
littérature pour un allongement A=10.
Pour un allongement de 20, la figure (I.12) montre que les résultats de simulations
numériques sont très rapprochés de la courbe de [Yin] et [ElSherbiny].
Figure (I.12) : Comparaison des résultats de modèle numérique avec les corrélations de la
littérature pour un allongement A=20.
100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5N
u
Ra
Nu(10.100)
Nu(20.300)
Nu(30.500)
Nu(Yin)
Nu(ESHERBINY)
100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Nu
Ra
Nu(10.100)
Nu(20.300)
Nu(30.500)
NuYin
NuESHERBINY
Chapitre I Contexte�
���
Figure (I.13) : Comparaison des résultats de modèle numérique avec les corrélations de la
littérature A=33.
Figure (I.14) : Comparaison des résultats de modèle numérique avec les corrélations de la
littérature A=40.
I.4.3.3. Modélisation d�une lame d�air horizontale chauffée par le bas :
Pour modéliser dans le code CFD une lame d�air horizontale chauffée par le bas, on doit
envisager la présence des instabilités et des régimes de convection turbulente pour de grands
nombres de Rayleigh. Pour cela, il faut choisir un modèle de turbulence adéquat pour
modéliser la lame d�air dans le code CFD.
2000 4000 6000 8000 10000
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Nu
Ra
21*31
41*41
41*61
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0
1
2
3
4
5
6
Nu
Ra
Nu21.31
Nu41.41
Nu41.61
NuYin
NuESHERBINY
Chapitre I Contexte�
���
Dans ce travail, les simulations numériques utilisant le modèle de turbulence pour les lames
d�air horizontales et inclines et compare les résultats de simulation obtenus par le code CFD
Fluent avec Yang [Yang, 2006][16] pour une lame d�air horizontale chauffée par le bas ayant
un allongement de 20 et une épaisseur de 5 cm.
Les écarts de températures de part et d�autre des parois actives varient de 1 à 50 K (Les mêmes
dimensions dans le cas d'une cavité verticale).
�
�
Figure (I.15) : Comparaison des résultats de simulation avec la corrélation de Yang.
La comparaison entre la courbe des simulations numériques CFD et la corrélation de Yang
montre un rapprochement remarquable des résultats et une même tendance d�évolution des
courbes avec l�augmentation du nombre de Rayleigh.
I.4.3.4 Modélisation d�une lame d�air incline :
Dans le cas d�une cavité inclinée ou chauffée par le bas, le modèle devient très délicat à
mettre en �uvre car la lame d�air met en présence plusieurs régimes d�écoulements avec des
intervalles de transition. En effet, les travaux de la littérature montrent la difficulté de simuler
la convection de Rayleigh-Bénard qui est caractérisée par deux mouvements distincts à
échelles différentes.
�
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000
2
3
4
5
6
7
Nu
Ra
Nu(CFD)
Nu(Yang)
Nu(10.100)
Chapitre I Contexte�
���
Figure (I.16) : Comparaison du Nu pour une lame d�air de différentes inclinaisons
(A = 20)
La figure (I.16) représente les résultats de simulations numériques pour différents angles
d�inclinaison et les compare aux corrélations de la littérature La lame d�air simulée a un
allongement de 20 et un écart de températures de 5 K. Nous le notons aussi réalisées donnent
des valeurs de Nusselt entre ceux obtenus par la corrélation de CFD LES et ceux
d�ElSherbiny.
I.5. Les applications :
Le but de ce travail est de savoir les écoulements de convection naturelle dans une enveloppe
d'un bâtiment et le confort thermique avec la réduction de la consommation d'énergie grâce à
l'étude de l'effet de cet écoulement sur la base de la demande d'énergie. Pour cela, nous
arrivons à la description des applications diverses, Parmi ces applications, il existe de
nouvelles combinaisons et lié à concevoir et à être lié à des caractéristiques telles que
l'isolation thermique (allégement de la chaleur), il est indiqué dans le tableau suivant: [17]
0 20 40 60 80 100
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3.0
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
Nu
Angle d'inclinaison(°)
Nu(10.100)
Nu(CFD LES)
Nu(Elsherbiny)
Chapitre I Contexte�
���
Tableau (I.1)��� ���������������� ��������������� ����� ������
I.6. Conclusion :
Ce chapitre présente la convection naturelle dans les lames d�air fermées. Dans la première
partie, il a été identifié PMR en général, et une étude bibliographique a été réalisée afin de
définir les paramètres qui régissent le régime d�écoulement à l�intérieur de la cavité.
Une étude comparative des différents auteurs par simulations numériques est réalisée avec le
code CFD afin de valider la simulation.
Dans les chapitres suivants, les différentes corrélations donnant les coefficients d�échange
convectifs pour plusieurs configurations de lames d�air fermées vont servir à représenter les
échanges thermiques convectifs ayant lieu dans les lames d�air fermées intégrées dans les
modèles de paroi verticale et de toiture isolée avec des PMR.
��
�
�
�
��������������������������������������������
�� ������������ ������������ ������������ ��������������
���� ��������������������������������������������
�� ����������� ����������� ����������� �������������
�
�
��
Chapitre II� étude le modèle du l'enveloppe d'un bâtiment���������
�
����
II.1. Introduction :
Les systèmes utilisés pour le transfert de chaleur par convection naturelle sur une grande
échelle dans de nombreuses applications techniques, telles que l'énergie solaire et les systèmes
de ventilation naturelle dans les bâtiments existants. Il thermosiphons ou cheminées solaires
sont les applications les plus courantes pour ventiler les bâtiments.
Ces structures sont généralement verticales ou, dans certains cas, légèrement incliné par
rapport à la position verticale. Il peut être le mouvement naturel de l�air produit dans le
bâtiment en raison des variations de température causées par un chauffage solaire.
Ce mouvement aide à l'air frais d'entrer dans les trous. ce mouvement de convection naturelle
est fonction de plusieurs paramètres qui sont définis d�après la littérature par le flux solaire
incident, l�angle d�inclinaison du rampant, l�allongement du thermosiphon ainsi que les
sections d�ouvertures à l�entrée et à la sortie.
Dans ce travail, il est utilisé pour éviter l'augmentation de température de l'enveloppe du
Bâtiment du système causée par le rayonnement solaire le rayonnement solaire augmente le
Température de l�enveloppe du bâtiment, qui chauffe l'air crée une force de flottabilité qui
Provoque le flux d'air chaud. L�objectif principal de l�étude du thermosiphon sous les
enveloppes de bâtiments est de le représenter par des corrélations pour le débit d�air n�ayant
pas trouvé dans la littérature une corrélation adéquate pour le débit d�air induit dans cette
Configuration particulière de thermosiphon incliné.
II.2. L'état de l'art :
ont été mis en ]8[1Il y a beaucoup d'études empiriques et numériques Dans la littérature,
lottabilité qui se f une uvre pour étudier le flux et le transfert de chaleur entraînéOe
études diverses fait,En différentes. de configurations thermosiphonl'intérieur produisent à
ont été réalisées pour caractériser le CFD,en utilisant des techniques 2D ou 3D numériques,
.]91[ l'enveloppe de bâtimentà l'intérieur d�airmouvement
Le but de ce travail est l'étude des différents résultats obtenus à partir des résultats
expérimentaux et CFD pour la préparation de l'écoulement d'air entraîné par la flottabilité est
né en thermosiphon. Modèle CFD développés représente ce phénomène, et sont validés les
résultats obtenus à partir du flux d'air à travers les résultats expérimentaux menés par des
]20. [hercheursc
Chapitre II� étude le modèle du l'enveloppe d'un bâtiment���������
�
����
Les données expérimentales supplémentaires avec des simulations numériques nous
permettent de proposer des liens vers le débit.
La mise en �uvre de corrélation pour développer afin de créer un modèle de system Ainsi
l'objectif principal est de représenter le système avec une corrélation Le débit.
est utilisé de la même température dans le modèle CFD présentant des caractéristiques
géométriques et matérielles et valider les résultats obtenus à partir de l�écoulement d'air à
travers le débit de données expérimentales. Suggère ensuite un rapport au taux global de flux
et la discussion et la comparaison avec la littérature.
Les systèmes de toiture sont habituellement construits avec un espace ventilé en air
au-dessous des tuiles et une membrane étanche à l'air ou à une sous-couche fixée sur le
dessus du matériau isolant figure (II.1). La mise en �uvre d'un espace d'air minimum de
3 cm est conseillée par les normes européennes et les règles nationales de construction. [21]
]22bâtiment. [de d�enveloppeection dans le système S: ).1II (Figure
Contrairement à la convection forcée, la ventilation naturelle cousée par la flottabilité a
généralement de faibles débits et est difficile à contrôler, car il dépend de divers paramètres
tels que le rayonnement solaire incident, la géométrie et l'inclinaison du système. Pour cette
raison et afin d'améliorer la compréhension de la performance de la ventilation du
thermosiphon et son débit massique, les paramètres importants doivent être identifiés et leur
impact sur l'efficacité du thermosiphon doivent être étudiés.
Chapitre II� étude le modèle du l'enveloppe d'un bâtiment���������
�
����
En plus de l'inclinaison et les dimensions, les conditions thermiques des parois actives du
thermosiphon sont des paramètres très importants pour la prédiction du débit massique ainsi
que pour le transfert de chaleur et pour les profils de température et de vitesse. En ce qui
concerne l'enquête sur la performance des systèmes de thermosiphon, i) des études dans la
littérature ont examiné les deux plaques symétriquement chauffés à la même température
uniforme de paroi [2].
II.3. Modèle CFD :
Dans des cavités ouvertes différentiellement chauffées, les paramètres non - dimensionnelles
qui décrivent le flux de convection naturelle entre les deux plaques parallèles sont le nombre
de Rayleigh Ra, le nombre de Prandtl Pr et le rapport d'aspect A, qui est l'espacement b sur
la longueur l et l'inclinaison de la cavité.
Figure (II.2): Modèle CFD représentant le thermosiphon. [22]
Un modèle numérique représentant le thermosiphon réalisé sous le code CFD. Sur les deux
surfaces actives sont imposés les profils de température et Les essais sont effectués pour
différents niveaux de chauffage, trois longueurs de rampant (1, 2 et 3 m), deux inclinaisons
(30° et 35°) et deux sections d�ouvertures (2 et 3 cm).
Dans notre étude, le fluide de travail est l'air qui a un nombre de Prandtl constant égal à 0,71
ainsi le nombre de Nusselt en fonction de l'espacement entre les plaques du thermosiphon est
représenté sous la forme de:
��� � �������
�� � �� (II.1)
Chapitre II� étude le modèle du l'enveloppe d'un bâtiment���������
�
����
Où le nombre de Rayleigh sur la base de l'espacement entre les plaques du thermosiphon est
défini comme suit :
�� ������������ �
��� �� (II.2)
� est le coefficient de dilatation thermique volumétrique à savoir la variation de la masse
volumique de l'air en fonction de la température à pression constante (K-1), g est
l' accélération de la pesanteur ( 9,81 m2/s), � est la viscosité cinématique,����est la
température de la plaque,�����est la température de l'air ambiant, et Pr est le nombre de
Prandtl D'après la littérature, le nombre de Rayleigh en fonction de la hauteur du canal est
généralement utilisé pour déterminer le régime d'écoulement dans le thermosiphon. Si le
nombre de Rayleigh devient supérieur à une certaine valeur critique, la force de poussée
devient trop important par rapport à la force visqueuse agissant sur le fluide et l'écoulement
devient turbulent .
�� ������������ ��
��� �� (II.3)
II.3.1. Géométrie du cas étudié :
Le calcul CFD dans ce chapitre a été fait à l�aide de logiciel Fluent (6.3.26) CFD, et le
logiciel GAMBIT. Le détail de l�étude préliminaire de génération du maillage en [Annexe 2]
Le résumé du calcul numérique Fluent de ces cas étudiés en [Annexe 2]
Notre étude numérique a été faite pour des hypothèses physiques et numériques suivantes :
- régime turbulentce
- Le fluide de travail est l'air considéré newtonien et incompressible
- L�approximation de Boussinesq est considérée
- le rayonnement n�est pas pris en considération dans le modèle numérique
Le modèle K-e de turbulence [Annexe 2] a été choisi en raison du nombre élevé de Rayleigh.
Et pour le choix du maillage [Annexe 2] donc maillage optimise est (10.100) Pour la section
d'entrée et la sortie du thermosiphon, la pression est égale à la pression ambiante et la
température d'entrée est fixée égale à la température ambiante. Pour les deux parois actives,
les profils de température obtenus à partir des expériences ont été fixés comme conditions
aux limites. Les autres murs ont été considérés comme adiabatiques.
Chapitre II� étude le modèle du l'enveloppe d'un bâtiment���������
�
����
Une taille adéquate de maille a été choisie pour les trois hauteurs des expériences (1, 2 et 3
mètres) cavité différentes. Il a été prouvé adéquate en effectuant le test d'indépendance de la
grille. L'augmentation de la taille des mailles montré aucun changement dans les profils de
vitesse pour une certaine section du thermosiphon.
II.4. Résultats et discussion :
II.4.1. La validation du modèle CFD :
D�abord, une présentation des cas testés dans le dispositif expérimental mis en place par la
technique de PIV (Vélocimétrie à image de particules).
Trois longueurs ont été testées, deux sections d�ouverture, deux inclinaisons et différence
différente mur à température ambiante. Les températures chaudes et froides, Th et Tc
présentés dans le tableau 1 ont été calculés, pour chaque cas, en faisant la moyenne des
lectures des différents thermocouples placés à l'intérieur de la cavité le long de la longueur à
la fois la plaque supérieure et inférieure. [2]
Tableau (II.1) : Cas utilisé dans le dispositif expérimental [22]
C (cm) L (m) DT (K) Ta (K) Tc (K) Th (K) Angle (°)
cas
2116288297313301318.1288295303.1302218.1288295.3303.43033216288297.1313.13042216.1288299.7315.83052212.3288292.2304.53063312288301.3313.330723122883023143083313.2293300.6313.83093311.4293302.4313.835102312.2293302.3314.535113315.4295303.7319.135123310.5295313.432435132310.5295316.4326.63514
La figure (II.3) montre les résultats obtenus du débit massique de thermosiphon pour les
différentes sections d�ouverture, des longueurs, des inclinaisons et des différences de
température de mur à température ambiante. À la fois les valeurs prédites par les calculs
hydrodynamiques et ceux obtenus par les mesures de PIV sont représentés :
Chapitre II� étude le modèle du l'enveloppe d'un bâtiment���������
�
����
Figure (II. 3) : les résultats de débit de masse des deux études expérimentales et numériques.
Les résultats ont montré que le débit massique induit dans le thermosiphon augmente avec
l'inclinaison et la longueur du canal. Si l'angle d'inclinaison est augmenté.
Les résultats obtenus dans le tableau suivant sont présentés :
(débit massique, nombre de Nusselt , flux de chaleur et coefficient d'change de
chaleur h)
Tableau (II.2) : Résultats obtenus par simulation CFD
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
0.012
0.014
0.016
mass flo
w rate
(kg/s
)
case
m(CFD)
m(PIV)
m(notre résultat)
Nombre de test
M (kg/s) NU Heat Flow surface (w/m2)
h (w/m2.k)
1 0.009193 134.113 79.053 3.1822 0.0125 77.88 27.61 1.843 0.007681 70.317 25.440 1.6694 0.02028 247.6942 152.769 6.12545 0.01342 241.876 165.331 5.98166 0.009451 172.54 69.721 4.26697 0.0247 327.17 195.18 7.768 0.0152 326.3 200.08 7.479 0.0198 338.07 205.69 8.02
10 0.022 349.64 212.73 8.2911 0.0138 309.03 193.15 7.33
12 0.025 422.78 310.41 10.03
13 0.029 455.55 387.44 10.8114 0.0187 368.2 335.9 8.73
Chapitre II� étude le modèle du l'enveloppe d'un bâtiment���������
�
����
Les résultats montrent également que lors du changement de la fente d'ouverture de 3 à 2 cm
à l'entrée et à la sortie du canal d'air , la masse diminution de débit. Ceci est expliqué par le
fait que lors de la diminution des sections d'ouverture , la chute de pression due aux sections
d' entrée et de sortie , ce qui entraîne une augmentation des débits massiques inférieurs.
II.4.2. Corrélation pour débit d'air :
Tant l'analyse expérimentale et numérique a montré que le débit massique induit dans le
canal est une fonction des paramètres suivants: le rapport d�aspect, l�inclinaison, la
température de paroi supérieure et inférieure et la température de l'air ambiant. Proposer une
corrélation qui est fonction de la différence de température entre les plaques et l'air ambiant,
ces trois paramètres ont été inclus dans les deux nombres adimensionnels. En effet, le
transfert de chaleur le long de la plaque chaude et froide dans le canal d'air est défini par deux
nombres de Rayleigh ; un pour la plaque supérieure et l'autre pour le niveau inférieur. Les
deux sont basés sur la longueur de la cavité et non pas sur la distance parce que l'objectif est
d'étudier l'impact de la longueur sur la performance du thermosiphon, l'espacement inter-
plaque est maintenue constante (3cm).
La corrélation pour le débit massique est donc une fonction de :
- l�inclinaison
- les deux nombres de Rayleigh
- le rapport d'aspect du thermosiphon et la température de l'air ambiant
Après la validation du modèle, des simulations numériques supplémentaires ont été
effectuées afin d'avoir plus de résultats pour une large gamme de paramètres et d'être en
mesure de proposer une corrélation adéquate en fonction de ces paramètres.
En utilisant la méthode des moindres carrés à la fois sur les résultats expérimentaux et
numériques, la corrélation suivante est proposée pour le débit massique induit dans le canal
d'air incliné [22].
` � C,���� !� " #$%� " &���'(�)(*+ , ���-.�/01�*2(�33(*� " �-� (�(4 "��� ���.40�5/
/ (II.4)
���' �������6���� ��
��� �� (II.5)
���- �������7���� ��
��� �� (II.6)
Chapitre II� étude le modèle du l'enveloppe d'un bâtiment���������
�
���
Tableau (II.3) : Débits massique calculé par corrélation et CFD
M(kg/s) CFD M(kg/s) correlation cas
0.009193 0.0044 1 0.0125 0.00398 2
0.007681 0.00389 3 0.02028 0.00765 4 0.01342 0.00764 5
0.009451 0.00663 6 0.0247 0.0103 7 0.0152 0.0101 8 0.0198 0.0107 9 0.022 0.0122 10
0.0138 0.02 11 0.025 0.013 12 0.029 0.0136 13
0.0187 0.0135 14
Tableau (II.3) compare les débits massiques obtenus par la corrélation numériquement
calculée et résultat obtenu par CFD. La corrélation établie pour le débit massique.
Figure (II.4) : Débit massique obtenus par la corrélation numériquement et résultat obtenu par CFD
La différence entre le taux de débit massique numérique obtenue et celle calculée par la
corrélation était d'environ 50 % pour les deux cas. Par conséquent, la corrélation proposée est
valable pour un angle d'inclinaison qui varie de 30 à 35 ° et un rapport d'aspect qui varie
0,01 à 0,03.
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
débit m
assique
cas
débits massiques calculé par CFD
débit massique obtenu par la corrélation
Chapitre II� étude le modèle du l'enveloppe d'un bâtiment���������
�
���
II.5. Corrélation pour les coefficients de transfert convective :
La plupart des recherches sur les coefficients de transfert de chaleur à l'intérieur de
thermosiphons. Et aussi étudient le transfert de chaleur à l'intérieur d'un thermosiphon pour
les positions inclinées [23]. La seule étude expérimentale dans la littérature sur les canaux
inclinés est réalisée par Azevedo [24] qui a étudié le transfert de chaleur par convection
naturelle à l'intérieur d'un thermosiphon incliné rempli d'eau (Pr = 5) [22].
Dans son étude expérimentale, Azevedo [24] définit un coefficient de transfert thermique
global elle est donnée par la relation suivante:
8 � 9
:�;<� 9
:�����=�>?� (II.7)
où Q est le flux de chaleur par convection (W) et S est la surface spécifique ( m2 ) de la
plaque chauffée. �@�AB��est la température moyenne du fluide à l'intérieur du canal et �� est la
température moyenne de la plaque chauffée.
Le nombre de Nusselt du canal est défini comme suit :
��� �C
� (II.8)
� est la conductivité thermique du fluide ( W.m - 1.K -1).
Le nombre de Rayleigh utilisé est exprimé comme suit:
�� ������6��=�>?� �
��� �� (II.9)
Le domaine de corrélation de validité Azevedo ne comprend pas les conditions explorées dans cette étude ( 0,01 < b / L < 0,03 et une plage d'inclinaison qui varie de 30 ° à 45 ° ) [22].
��� � D�EFFG�
����HI#��JD ��K(�./ (II.10)
Le dispositif expérimental en place utilisé dans cette étude ne peut pas être utilisé pour
estimer les coefficients de transfert de chaleur le long de la plaque supérieure et inférieure à
l'intérieur du thermosiphon. Ainsi, le modèle CFD validé expérimentalement est utilisé pour
déterminer les coefficients de transfert de chaleur à travers les différents cas simulés. Les
résultats numériques obtenus à partir de la modélisation CFD ont été comparés aux
coefficients de transfert de chaleur calculé par corrélation Azevedo.
Chapitre II� étude le modèle du l'enveloppe d'un bâtiment���������
�
����
Les résultats numériques présentés dans les figure (II.4) et (II.5) Confirmer les conclusions
que nous avons tirées à partir des données par Azevedo.
Le coefficient augmente d'échange de chaleur avec le nombre de Rayleigh (en fonction de la
température de la paroi chaude ) et de l'angle d'inclinaison , mais diminue avec la hauteur du
thermosiphon [2] .
confirme les ).5II(et figure ).4II(Résultats numériques présentés dans la figure
: notre résultat conclusions
Figure (II.5) : Nombres de Nusselt pour différents rapports d'aspect.
Figure (II.6) : Nombres de Nusselt pour différents angles d'inclinaison.
25000 30000 35000 40000 45000 50000
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
Nu
Ra
b=0.03
b=0.01
25000 30000 35000 40000 45000 50000
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
Nu
Ra
angle=45°
angle=30°
Chapitre II� étude le modèle du l'enveloppe d'un bâtiment���������
�
����
La figure (II.6) compare les coefficients de transfert thermique obtenus à partir de la
modélisation CFD et celles calculées par Azevedo corrélation pour tous les cas
étudiés :
Figure (II.7) :Comparaison des résultats du nombre de Nusselt entre Azevedo corrélation et les simulations numériques .
Depuis notre étude enquêter sur un espacement inter- plaque plus petite (0,01 < b / L < 0,03)
et d'inclinaison qui varie de 30 ° à45°.
Nous avons la simulation numérique de l'application de la relation de transfert de chaleur.
de ix cas simulés dans le CFD afin La méthode des moindres carrés est utilisée sur les d
pour cette configurations de canaux d'air proposer une corrélation plus approprié pour les
Les nombres de Nusselt obtenus à partir des simulations numériques ont été comparées étude,
pour les valeurs calculées par Azevedo et à ceux obtenus par la nouvelle ).4II(dans le tableau
].22[. carrédu moindre t la méthode établie en utilisanCorrélation
30000 35000 40000 45000
0
1
2
3
4
5
6
7
Nu
Ra
CFD
AZE
Chapitre II�étude le m
odèle du l'enveloppe d
'un bâtiment���������
� ����
Nu(CORR) Nu(AZE) Nu(CFD) Tf (K) Tamb (K) Tc (K) Th (K) b/L L (m) angle (°) case
4.02 3.4 2.9 304.2 288 296.7 311.7 0.03 1 30 1
4.4 3.72 3.6 305.75 288 298.2 313.3 0.03 1 45 2
3.63 3.06 1.65 300.05 288 296 304.1 0.03 1 30 3
4.23 3.58 3.2 304.2 290 296.7 311.7 0.03 1 40 4
3.38 2.86 4.4 315.5 288 310.5 320.5 0.015 2 30 5
3.16 2.67 3.5 313.1 288 310.6 315.6 0.015 2 30 6
3.23 2.73 3.2 315.4 288 310.4 320.4 0.01 3 45 7
3.18 2.69 3.1 317.9 288 315.4 320.4 0.01 3 45 8
3.14 2.65 5.2 325.4 300 320.4 330.4 0.01 3 45 9
Tableau II.4 : Cas simulées dans le code CFD.
Chapitre II� étude le modèle du l'enveloppe d'un bâtiment���������
�
����
La figure (II.7) représente le nombre de Nusselt calculé par la CFD et l�équation
d�Azevedo et la nouvelle corrélation proposée pour tous les cas étudiés.
Figure (II.8) : Comparaison des résultats de Nusselt .
: CommentaireLa corrélation établie pour la gamme de rapport d'aspect étudié dans cet étude, qui
type moyen de 7 % par rapport aux -adapte la corrélation Azevedo , donne un écart résultats numériques et est donc plus adéquate :
��� � D�LJJG�
����HI#��JD ��K(�./ (II.10)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
1
2
3
4
5
Nu
cases
Nu(CFD)
Nu(AZE)
Nu(CORR)
Chapitre II� étude le modèle du l'enveloppe d'un bâtiment���������
�
����
II.6. Conclusion :
Dans ce chapitre, la performance d'un thermosiphon incliné sous les tuiles a été
étudiée par l'investigation numérique. Le dispositif expérimental mis en place a été
basée sur des mesures de PIV et a été effectuée afin d'identifier les paramètres
importants qui caractérisent le flux d'air entraîné la flottabilité à l'intérieur du
thermosiphon.
Les résultats valident le débit massique à travers la mise en �uvre de mesures 2D
PIV, J'ai utilisé les résultats à la fois numériques et expérimentales pour suggérer une
corrélation avec le taux de débit massique.
A été adapté à cette relation d'angle d'inclinaison et de l'espacement entre le Groupe
détermine Thermosiphon.
�
�
�
�
�
�
�
�
�
����������������������������������������������� ����������� ����������� ����������� ������������
�� ������� ������� ������� ���������
�
��
Chapitre III � Application de l'étude��
����
III.1. Introduction :
L'intégration de la composante énergétique dans le processus de la conception architecturale
est un objectif qui tend à l�amélioration du confort thermique. On constate que dans les
régions à climat chaud et aride. Le problème du confort thermique s�impose comme un
facteur principal à prendre en considération lors de la conception des bâtiments Ces travaux
ont eu pour objet l'étude de parois complexes intégrant des produits minces réfléchissants
dans l'enveloppe de bâtiment pour assuré la conforme thermique.
Le confort thermique est défini comme un état de satisfaction vis-à-vis de L�environnement
thermique. Il est déterminé par l�équilibre dynamique établi par échange Thermique entre le
corps et son environnement. La notion de confort thermique est le plus souvent appliquée à
l'être humain, bien qu'elle puisse s'appliquer à tout être vivant. Il existe cependant des
conditions d'ambiance optimales qui seront ressenties par l'individu comme celle d'un état de
confort thermique. [25]
La notion de confort thermique, désigne l�ensemble des multiples interactions entre
l�occupant et son environnement où l�individu est considéré comme un élément du système
thermique [26], pour le définir on lui associe plusieurs paramètres, notamment [27] :
Le paramètre physique, Le paramètre psychologique, Aspect physiologique, Aspect sensoriel
Au départ d�une synthèse bibliographique préliminaire, nous avons présenté les différentes
études expérimentales et théoriques réalisées au sujet des PMR, ce qui nous a permis dans un
premier temps de constater des différences majeures et celles nationales de ces produits, avec
un aspect réglementaire d�une part, qui se pose en terme de caractérisation des performances
thermiques des PMR et d�autre part un aspect scientifique dont l�objet est la modélisation des
phénomènes intervenant dans les parois complexes intégrant des PMR Ces éléments nous ont
permis de proposer le but était de déterminer des indicateurs simples, permettant de
caractériser les performances thermiques et la protection solaire de complexes de toiture et
connaissance du comportement thermique d�un complexe de toiture incluant un PMR.
Afin de travail réduire la consommation d'énergie dans les maisons avec un indice calibré des
structures dans la région d�Ouargla Et que, après l�intégration de PMR dans toit.
III.2.Consommation énergétique en Algérie par secteur :
D�après l�Agence Nationale pour la Promotion et la Rationalisation de l�Utilisation de
l�énergie (APRUE), dans son rapport sur la consommation énergétique finale de l�Algérie,
Pour l�année 2013, le secteur le plus consommateur d�énergie est le secteur ménager de
Chapitre III � Application de l'étude��
����
45%, ensuite l�industrie avec 28% et enfin le transport avec 27%. [25]
�
�
Figure (III.1) : Consommation d�énergie par secteur en 2012. [28]�
La consommation d�énergie finale par secteur d�activité entre les années 1980 et 2012 varie Selon le tableau suivant [29] :
�
Figure (III.2) : Consommation d�énergie dans les différents secteurs en ktep. [25]
III.3 Consommation énergétique dans le secteur ménager en Algérie :
La consommation d�énergie dans le secteur ménager en Algérie, a été probablement
multipliée par cinq entre les années 1980 et 2011. L�électricité, le gaz naturel (en conduites ou
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
les différents secteurs
Année
Industrie et BTP
Transport
Ménage et autre
Chapitre III � Application de l'étude��
����
En bouteilles), fuel, charbon, bois et même piles électriques sont les vecteurs d�énergie du
Secteur domestique. Les différents types d�énergie nous servent globalement à quatre
différents usages Le chauffage qui représente la plus forte dépense environ 60% de l�énergie
Domestique; L�éclairage, l�électroménager, l�audio visuel et la climatisation représentent près
de 20% de l�énergie. [25]
�
�
�
�
�
�
�
�
Figure (III.3) : Evolution de la consommation électrique national dans le secteur ménager en GWh. [25] �
La lecture des données du bilan énergétique montre l�importance, souvent méconnue, de la
consommation d'énergie dans le secteur Ménager dont la consommation électrique a atteint
7412 GWh en 2002 et 12915 GWh en 2011 ktep. Selon les statistiques de 2011.
III.4.Consommation d�électricité:
Quant à la consommation et à la production d�électricité, elles enregistrent une augmentation
de 41,5% et 61,5% durant la période de 1980 à 2012. La consummation d�électricité en
Algérie a augmenté durant les dernières années de 4% par an et la demande d�électricité
devait à long terme croître de 7% par année. En outre, la distribution de l�électricité connaît
depuis quelques années de fortes perturbations du fait d�une augmentation croissante de la
demande intérieure due essentiellement à l�usage multiplié des climatiseurs surtout dans le
secteur d�habitat et tertiaire. Ceci conduit l�entreprise Sonelgaz à opérer des délestages pour
rééquilibrer un appel de consommation devenu trop important. [25]
0,00
2 000,00
4 000,00
6 000,00
8 000,00
10 000,00
12 000,00
14 000,00
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
������ ��������� ����������
Chapitre III � Application de l'étude��
����
III.5.Climat et énergie en Algérie [30] :
L�Algérie s�étend sur une superficie de 2.381.741 km2. Elle est comprise entre 18 et 38 de
latitude nord et entre 9 et 12° de longitude d�ouest vers l�est. Le territoire algérien est
caractérisé par une diversité de zones climatiques, classés en trois catégories, à savoir :
• Le « tell », concerne le nord du pays, dont le climat est typiquement Méditerranéen,
Caractérisé par des étés chauds et relativement humides, et des hivers doux et pluvieux
(400 mm à 1 000 mm de pluie par an). L�amplitude thermique et très faible.
• Les hauts plateaux, situés à l�intérieur du pays, caractérisés par un climat continental,
Dont les précipitations sont en moyenne comprises entre 200 et 400 mm. La période froide
(hiver) est caractérisée par des températures basses qui peuvent atteindre 0°C, Alors que, la
période chaude (été) est sèche pendant laquelle la température peut atteindre parfois 40°C.
• Le sahara : s�érige sur une très grande étendue par rapport au tell (environ 4/5 de la
surface totale). Située au sud, le désert est caractérisé par un climat aride : chaud et sec dont
les précipitations ne dépassent pas 130 mm/an. La période froide est très courte.
L�amplitude thermique y est très importante (de 49 °C le jour à moins de 10 °C la nuit).
Le rayonnement solaire y est très intense et dépasse parfois le 900 W/m².
Les vents sableux, secs et très chauds sont forts et fréquents, le plus célèbre est le siroco,
Qui peut atteindre le continent européen.
III.6 Zones climatiques en Algérie :
Les travaux de zonage climatique ont été réalisés [31]. La province Algérienne a été subdivisé
en zones climatiques homogènes en se basant sur l�analyse des données climatiques
enregistrées par 60 stations météorologiques sur la période de 1999-2008 (10 ans).
Un zonage climatique unique pour les besoins de la réglementation thermique a été réalisé
avec des fichiers climatiques annuels journaliers, sur la base des besoins thermiques annuels
de chauffage et de climatisation des bâtiments dans 48 stations météorologiques. La figure
(III.4) présente la carte représentant le zonage climatique adapté aux besoins de la
réglementation thermique dans le bâtiment :
Chapitre III � Application de l'étude��
����
�
Figure (III.4) : Zonage climatique de l�Algérie adapté aux besoins de la réglementation �
Thermique dans le bâtiment. [31]
III.7. région d'étude :
III.7.1.Ouargla
III.7.1.A Données géographiques
La wilaya de Ouargla est située au Sud-est Algérien, elle est distante de 800 km de la capitale
Alger. Elle couvre une superficie de 163 323 km². Elle est limitée au Nord par les
wilayas de Biskra et d'El Oued au Sud par les wilayas d'Illizi et Tamanrasset à l'Ouest par les
Wilayas de Ghardaïa et Djelfa et à l'Est par la Tunisie Figure (III.5).
La ville d�Ouargla est située à 128 mètres d'altitude, à 190 km à l'est de Ghardaïa, 160 km au
sud-ouest de Touggourt, 388 km au sud de Biskra. Elle est peuplée de 210 175 habitants.[31]
Figure (III.5) : Situation géographique d'Ouargla.[25]
Chapitre III � Application de l'étude��
����
III.7.1.B Données météorologiques:
La température moyenne annuelle est de 16,54°C; avec 36,13°C pour le mois le plus chaud
(Juillet) et 12,11°C pour le mois le plus froid (Janvier). La température la plus élevée est
49.6°C au 15 Juillet pour l�année 2012. La température la plus basse est 0°C le 11 Janvier.
L'humidité relative enregistre des taux allant de 25,3 à 66,2 %, alors que l'évaporation est très
Importante. La moyenne annuelle est de l�ordre de 276,89 mm. Les précipitations sont rares et
Irrégulières et varient entre 0,22 mm et 17,1 mm par année. [31]
Les vents dominants sont ceux de N/NE et S/SE avec une vitesse pouvant atteindre 4.85m/s et
parfois dépasser 20 m/s. Le sirocco vent chaud et sec peut être observé tout au long de
l'année. En 2012, la vitesse maximale du vent enregistrée est de 70.2 km/h le 15 Juillet.
III.8.Méthodologie de conception d�archétypes bioclimatique :
La méthodologie suivie pour vérifier les hypothèses émises. Et atteindre les objectifs tracés
repose sur deux outils de recherche ; « l�investigation » à travers les mesures in situ et la
simulation. L�investigation va se tenir sur la période représentative de la saison chaude.
L�objectif de ce travail est de développer une méthodologie pour réaliser des études de
conception de bâtiments à basse consommation d�énergie. La méthodologie consiste à
déterminer des archétypes pour l�évaluation des performances énergétique et du confort
thermique d�été des bâtiments à l�aide de la simulation numérique.
Notre méthodologie se base premièrement donc sur une observation des formes des maisons.
L�abstraction de ces formes en éléments géométriques simples. [25]
III.9.Archétype d�une région Ouargla:
Il est préférable d�orienter les pièces à vivre au Nord, telles que le salon, les chambres
principales. Les chambres principales peuvent également être orientées au Sud-est. Il est
préférable de placer la cuisine au Nord : en effet, c'est une pièce qui dégage beaucoup de
chaleur à cause des appareils de cuisson. Les salles de bain sont des pièces ne nécessitant que
peu, voire pas d'ouvertures, ni un ensoleillement. Il est donc conseillé de les placer au sud ou
au Nord. Les espaces tampons (garage, les escaliers), se comporteront comme des isolants
Thermiques, seront de préférence disposées côté Sud. Selon les résultats obtenus dans l
Chapitre précédent, une réduction d�énergie importante pourrait être obtenue sous les
conditions climatiques de la ville de Ouargla si un maison individuel de 120m2 prend la
forme « T ». La figure (III.6). Représentent l�archétype proposé.
Chapitre III � Application de l'étude��
����
L�archétype A est composé d'un séjour orienté au Nord-Est, une cuisine est située au Nord,
deux chambre l�une orientée au Nord-Ouest et l�autre au Sud-Ouest, un garage est situé au
Sud-Est et deux salles de bain l�une est orientée Ouest et l�autre au Sud-Est.[25 ]
�
�
�
�
�
�
�
�
Figure (III.6) : Archétype proposé. [25] �
III.10. Intégration des solutions bioclimatique dans l�archétype:
III.10.1.Cheminée solaire:
La cheminée solaire a une structure et un mécanisme de fonctionnement semblable au mur
trombe. La différence distincte entre les deux, est que le mur trombe absorbe l'énergie solaire,
et le recyclage d�air chaud résulte le chauffage passif du bâtiment. La cheminée solaire fournit
au bâtiment la ventilation pendant le jour sans recyclage d'air dans la pièce.
Une cheminée solaire peut être un des composants d'un bâtiment, dans lequel un ou plus de
murs d'une cheminée sont transparents, le mur vitré permet le rayonnement solaire
s�accumuler assez de chaleur pour induire l�effet de cheminée. L'énergie solaire réchauffe l'air
à l'intérieur de la cheminée. En raison de la différence de la température d�air, un gradient de
densité entre l'intérieur et l'extérieur de la cheminée provoque un mouvement ascendant
d'air. [25]
Chapitre III � Application de l'étude��
����
Figure (III.7): Types de cheminée solaire selon l�ouverture d�entrée, et leur position pour la
Ventilation natural. [32]
La performance énergétique du bâtiment a été augmentée avec l�intégration de la cheminée
solaire. Le Figure (III.8) représente les valeurs de la consommation énergétique pour chaque
mois de l�année.
Figure (III.8) : Consommation énergétique pour l�archétype. sans et avec la cheminée
solaire
Le Figure (III.8) met en évidence que la cheminée solaire a un meilleur équilibre de l'énergie
positive durant toute l'année. Les économies les plus importantes de la demande d'énergie
pour le refroidissement sont obtenues au cours des mois critiques de la période d'été. En
Juillet. On peut noter une réduction énergétique de l�ordre de 4.07 kWh/m² pour les besoins
du refroidissement. [25]
0 2 4 6 8 10 12
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
Consom
mation é
nerg
étique
Mois
avec cheminée solaire
sans cheminée solaire
Chapitre III � Application de l'étude��
����
III.10.2 Echangeur air-sol :
L�échangeur air-sol est un système géothermique consiste à rafraîchir l'air ventilé dans un
bâtiment. II suffit d'enterrer un ou plusieurs tuyaux sur un trajet suffisamment long et de faire
circuler l'air. L�air extérieur transite dans ce réseau de gaines par convection forcée, se
réchauffe en hiver ou se refroidit en été, avant d�être soufflé dans le bâtiment. Le principe de
l�échangeur air-sol est de faire circuler l�air neuf dans un conduit enterré grâce à un
ventilateur, avant de l�insuffler dans le bâtiment. En hiver, l�air se réchauffe au cours de son
parcours souterrain, les besoins de chauffage liés au renouvellement d�air des locaux sont
alors réduits et le maintien hors gel du bâtiment peut être assuré, le puits est alors dit puits
canadien. En été, l�air extérieur profite de la fraîcheur du sol pour se refroidir et arriver dans
le bâtiment durant la journée à une température inférieure à celle d�extérieure, le puits est
alors dit puits provençal. [33]
Figure (III.9): Schéma de principe d�un échangeur air-sol. [25]
Le Figure (III.10) la consommation énergétique avec et sans l�échangeur air-sol dans
l�archétype pour chaque mois de l�année.
Chapitre III � Application de l'étude��
����
Figure (III.10) : Consommation énergétique pour l�archétype. sans et avec l�échangeur air
sol.
On constate une meilleure efficacité de l�échangeur air-sol pendant la période estivale
comparée à la période hivernale. La réduction de la consommation d'énergie atteint une valeur
maximale de 13.75 kWh/m² au mois de juillet. Le système d�échangeur air-sol peut être
considérer efficace et permet de réduire de manière significative les besoins en énergie
électrique utilisés pour le refroidissement de l'espace, de l�ordre de 56.74 %. Contrairement à
la saison d�hiver.[25 ]
III.10.3. végétalisation des espaces au contact et sur les bâtiments:
Autour des bâtiments, la végétation prend des formes diverses : isolée (arbres, arbustes),
tapissant (gazon, herbes) comme elle peut constituer une seconde enveloppe du bâtiment (mur
végétal, toit végétal). Dans toutes ces formes, la végétation protège le bâtiment en réduisant
les transferts de chaleur par convection et les gains par rayonnement ce qui améliore le
comportement énergétique grâce à l�évapotranspiration qui rafraîchit l�air ambiant extérieur et
Intérieur des bâtiments. [25]
0 2 4 6 8 10 12
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
Consom
mation é
nerg
étique
Mois
avec l'échangeur air sol
sans l'échangeur air sol
Chapitre III � Application de l'étude��
����
.
Figure (III.11): Façade végétalisée recouverte de plantes grimpantes
New York, 2009. [34]
Le Figure suivante représente la consommation énergétique dans l�archétype avec et sans
végétation pour chaque mois de l�année.
Figure (III.12) : Consommation énergétique pour l�archétype sans et avec la vegetation.
L'analyse des résultats de la consommation énergétique pour cet archétype a révélé une
diminution très importante dans le bâtiment avec des murs végétalisés comparés à des murs
sans végétation. L�étude a identifié que la réduction de la consommation énergétique dépasse
1.18 % au mois de juillet dans le cas de murs végétalisés. [25]
Chapitre III � Application de l'étude��
����
III.11. L�étude de consommation énergétique dans l�archétype :
Dans cette partie sera le calcul de la consommation énergétique par intégration de deux de
matériau isolant PMR et VITRE et Intégration des solutions bioclimatiques (SBC).
Une simulation à l'aide du logiciel TRNSYS (version 16.1) a été effectuée pour tester
plusieurs configurations d�amélioration afin de déterminer les éléments qui peuvent servir à
des conditions meilleures.
III.11.1. Présentation logiciel TRNSYS :
TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation), (Programme de simulation de système
transitoires)
Figure (III.13) : Interface du logiciel TRNYS. [35]
�
� TRNSYS est un logiciel de simulation dynamique, il permet le calcul des performances
techniques: des bâtiments mono ou multizones des équipements thermiques des systèmes
thermiques. Ces simulations peuvent être couplées avec les conditions météorologiques, les
scénarios d'occupation l'utilisation de différentes formes d'énergie.
�TRNSYS évalue le niveau de confort thermique d'un bâtiment par rapport à son
environnement climatique et le choix opéré sur son système thermique (type de chauffage,
niveau d'isolation, orientation des pièces�).�
Chapitre III � Application de l'étude��
����
��TRNSYS évalue des systèmes de chauffage et de climatisation des plus simples au plus
complexes, comme les systèmes solaires innovants, grâce à une bibliothèque de 50 familles de
composants. [35]
Et les données introduites sont les suivants:
Description du bâtiment et données météo (fournies avec le programme pour certaines villes),
description des éléments du système thermique et de leur fonctionnement.
III.11.2. l'intégration de PMR dans l'archétype :
Figure (III.14) : l'intégration de PMR dans l'archétype.
La hauteur H à 3 m. La largeur W est également 7 ,65 m. longueur L a 11,5 m. Les épisser
des PMR égale 5mm, lame d�air égale 0.03m et briques successivement égale 0.2m Et crée
les variations de l�allongement dans la toiture à 45° .les caractéristique de PMR et le brique et
lame d�air en va voir (annexe III).
III.12. Résultats et discussion:
La consommation énergétique d�un archétype (cas simple) qui comprend une cheminée
solaires, un échangeur air-sol et un mur végétalisé est présenté dans le tableau suivant :
Chapitre III � Application de l'étude��
����
Tableau (III.1) : Consommation énergétique pour l�archétype . Sans et avec les solutions
Bioclimatique. [25]
Qc (kWh/�m²)
Mois Janvier Février Mars Avril Mai Juin
Sans solutionsbioclimatiques
15.17 8.30 6.18 5.67 10.39 18.21
Avec solutionsbioclimatiques
8.51 5.09 4.32 4.00 6.59 10.44
Mois Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre
Sans solutionsbioclimatiques
24.23 22.32 14.24 7.19 6.53 13.84
Avec solutionsbioclimatiques
13.62 12.57 8.51 5.17 4.46 7.67
Le Figure (III.15) la consommation énergétique avec PMR , avec PMR+SBC et Sans solutions Bioclimatiques (SBC) (cas simple) dans l�archétype pour chaque mois de l�année.
Figure (III.15) : Consommation énergétique pour l�archétype avec PMR et avec PMR+SBC
et sans SBC.
0 2 4 6 8 10 12
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Consom
mation é
nerg
étique
Mois
avec PMR
avce PMR+SBC
sans SBC
Chapitre III � Application de l'étude��
����
Courbe sans solutions sera au mois de Janvier lorsque la valeur 15.17 kWh/ m² puis diminue
à la valeur de 5.67 kWh/ m² au mois d'Avril, puis en augmentant à la valeur 24,23 kWh/ m²
au mois de Juillet et puis diminue à une valeur 7,19 kWh/ m² en Octobre , puis augmenter la
valeur 13,84 kWh/ m² en Décembre. La plus grande valeur est 24.23 kWh/ m².
Courbe PMR est en Janvier lorsque la valeur de 3,33 kWh/ m², puis diminue à la valeur 0,43
kWh/ m² au mois Mars, puis en augmentant la valeur 10, 97 kWh/ m² au mois de Juillet, puis
diminue à une valeur de 1,00 kWh/ m² en Novembre et ensuite augmenter à la valeur 4.43
kWh/ m² en Décembre. La plus grande valeur est 10.97 kWh/ m².
Courbe PMR avec solutions est en Janvier lorsque la valeur de 0.99 kWh/ m², puis diminue à
la valeur 0,07 kWh/ m² au mois Mars, puis en augmentant la valeur 5.75 kWh/ m² au mois
de Juillet, puis diminue à une valeur de 0.16 kWh/ m² en Novembre et ensuite augmenter à la
valeur 1.25 kWh/ m² en Décembre. La plus grande valeur est 5.75 kWh/ m².
On constate une meilleure efficacité de PMR pendant la période estivale comparée à la
période hivernale. La réduction de la consommation d'énergie atteint une valeur maximale de
10.97 kWh/ m² au mois de juillet. Le PMR peut être considérer efficace et permet de réduire
de manière significative les besoins en énergie. Alors que la consommation énergétique dans
le cas simple etre grande par rapport la PMR.
Le Figure (III.16) la consommation énergétique avec VITRE , avec VITRE+SBC et Sans
solutions Bioclimatiques (SBC) dans l�archétype pour chaque mois de l�année.
Figure (III.16) : Consommation énergétique pour l�archétype avec VITRE et avec
VITRE+SBC et sans SBC
0 2 4 6 8 10 12
0
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4
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14
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26
Consom
mation é
nerg
étique
Mois
avec VITRE+SBC
avec VITRE
sans SBC
Chapitre III � Application de l'étude��
����
Courbe sans solutions sera au mois de Janvier lorsque la valeur 15.17 kWh/ m² puis diminue
à la valeur de 5.67 kWh/ m² au mois d'Avril, puis en augmentant à la valeur 24,23 kWh/ m²
au mois de Juillet et puis diminue à une valeur 7,19 kWh/ m² en Octobre, puis augmenter la
valeur 13,84 kWh/ m² en Décembre. La plus grande valeur est 24.23 kWh/ m².
Courbe VITRE est en Janvier lorsque la valeur de 8.27 kWh/ m², puis diminue à la valeur
0.87 kWh/ m² au mois Mars, puis en augmentant la valeur 20.67 kWh/ m² au mois de Aout,
puis diminue à une valeur de 2.34 kWh/ m² en Novembre et ensuite augmenter à la valeur
9.18 kWh/ m² en Décembre. La plus grande valeur est 20.67 kWh/ m².
Courbe VITRE avec solutions est en Janvier lorsque la valeur de 1.18 kWh/ m², puis
diminue à la valeur 0.43 kWh/ m² au mois Mars, puis en augmentant la valeur 9.7 kWh/ m²
au mois de Juillet, puis diminue à une valeur de 4.21 kWh/ m² en Novembre et ensuite
augmenter à la valeur 5.6 kWh/ m² en Décembre. La plus grande valeur est 9.7 kWh/ m².
A noter que la consommation énergétique avec VITRE était Valeur Convergent avec un cas
simple (Sans solutions bioclimatiques).
Le Figure (III.17) la consommation énergétique avec PMR, avec VITRE ET Sans solutions
Bioclimatiques (SBC) dans l�archétype pour chaque mois de l�année.
Figure (III.17) : Consommation énergétique pour l�archétype avec PMR et avec VITRE et
sans SBC.
0 2 4 6 8 10 12
0
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12
14
16
18
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Consom
mation é
nerg
étique
Mois
avec PMR
avec VITRE
Sans SBC
Chapitre III � Application de l'étude��
����
VITRE La plus grande consommation d'énergie par rapport PMR donc Peut dire que PMR
est Diminue la consommation d'émergé par rapport VITRE , Parce que le VITRE augmente
l' effet de serre, ce qui augmente le transfert de chaleur de celui-ci et une augmentation de la
consommation d'énergie .
Nous exprimons cela par Pourcentage :
Tableau (III.2): pourcentage de le Consommation énergétique pour deux des matériaux
PMR et VITRE par rapport au cas sans solution pour l�archétype .
La consommation à chaque année
Habitation La somme de
consommation Pourcentage
Sans solution (cas simple)
������� ����
PMR� ������ ������
PMR + SBC� ������ ������
VITRE� ������� ������
VITRE + SBC� ������ ������
Nous pouvons voir que le pourcentage de la consommation d'énergie pour le PMR est
beaucoup moins important que la cas sans solutions, Voilà ce qui nous montre que l�effet de
l�isolement Peut montrer à travers l�intégration les produites minces réfléchissants PMR il
toute diminution de la consommation d'énergie.
III.13.Conclusion
les résultats de ce chapitre ont montré l�importance des différents critères energetiques de
conception sur les bâtiments, ce qui nous permettent à mieux comprendre l�impact de ces
effet et les choix des modèles de conception.
�
�
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��������������������������������������������
���� ������ ������ ������ ������
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Conclusion Générale��
���
�
Conclusion Générale
Ce travail a traité la problématique d�étude convection naturelle dans l�enveloppe du
bâtiment, Avant et après l�intégration ces produits réfléchissants mince par une évaluation
numérique et expérimentale. En effet, des travaux de modélisation et d�expérimentation ont
été réalisés afin de déterminer l�impact énergétique réel de ces produits une fois intégrés,
seuls ou en compléments d�isolation, dans les systèmes de parois et de toitures, en périodes
chaude et froide.
Afin de voir l�échange convectif à l�intérieur des lames d�air étanches, on remarque que c'est
un travail de modélisation numérique effectué sur des lames d�air non ventilées de différentes
configurations et inclinaisons. et après de voir les proposition littérateurs dans les études
précédents ont mise les corrélations que ont permis déterminer le coefficient d�échange
convectif en fonction de l�angle d�inclinaison, de l�allongement et des écarts de températures.
Pour une étude particulière sur l�effet thermosiphon en période chaude ensoleillée on est
besoin d�une lame d�air ventilée dans les complexes de toiture. En effet, des mesures
expérimentales ont montré que l�écoulement d�air par effet thermosiphon est fonction de
plusieurs paramètres dont le flux incident, l�écart de températures, l�inclinaison, la
température ambiante et la géométrie. Un modèle numérique détaillé a été réalisé et validé par
des mesures expérimentales. Une corrélation issue de la littérature concernant les échanges
convectifs entre l�air et les deux plaques, de la lame d�air a été également adaptée à la
géométrie étudiée par un recours aux résultats numériques.
En outre, il serait intéressant d�intégrer les modèles de parois et de toitures incluant des PMR
dans un outil de modélisation du bâtiment afin d�évaluer l�impact de ces matériaux sur la
consommation énergétique. Ensuite étudier l�impact de l�intégration des PMR comme
isolation, sur la consommation annuelle de chauffage et le confort d�été.
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�� ������������ ������������ ������������ ��������������
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Annexe
1
Annexe I
I.1.Les nombres adimensionnels :
I.1.1. Nombre de Nusselt
Le nombre de Nusselt (Nu) est un nombre adimensionnel utilisé dans les opérations de transfert thermique. Il représente le rapport entre le transfert thermique convectif et le
transfert thermique conductif .
����� = h ∆T
����� = k ∆TL
���������� = h ∆Tk ∆TL
= h �k = Nu
Nu = h Lk
I.1.2. Nombre de Prandtl
Le nombre de Prandtl (Pr) est un nombre sans dimension. Il représente le rapport
entre la diffusivité de quantité de mouvement ν (ou viscosité cinématique) et la
diffusivité thermique.
Pr = va = μ/ρ
λ/ρCp = μCpλ
I.1.3. Nombre de grachof
Le nombre de Grashof (Gr) est un nombre sans dimension utilisé en mécanique des
fluides pour caractériser la convection libre dans un fluide. Il correspond au rapport des
forces de gravité sur les forces visqueuses.
Gr = β. ∆T. g. ρ. ���μ
I.1.4. Nombre de Rayleigh
Le nombre de Rayleigh (Ra) est un nombre sans dimension et On peut le définir comme le
produit du nombre de Grashof, reliant les effets de la force gravifique à la viscosité du
fluide, et du nombre de Prandtl.
Annexe
2
Ra = gβνa #$% − $' (��� = Gr. )*
I.2. La mise en équation du système:
I.2.1. Equation de continuité
Considérons un écoulement du fluide traversant un volume de contrôle montré dans la
figure (I.8). La conservation de la masse dans le volume de contrôle exige que la somme des
masses entrantes et sortantes à travers ce volume soit nulle.
(La masse entrant à AB) – (La masse sortant de CD) + (La masse entrant à AD)
– (La masse sortant de BC) = 0
Et puisque l’écoulement est considéré bidimensionnel, l’unité des sections de
passageAB,CD, AD et BC est réduite à l’unité de longueur, donc :
La masse traversant AB par unité de temps = (ρ u). (Aire de AB) =ρu.dy
La masse traversant AD par unité de temps = (ρ v) ∙ (Aire de AD) =ρv.dx
Alors l’équation (I.8) devient :
+,-. − /#+,-.( 0#+,-.(-101 2 + +4-1 − /#+4-1( + 0#+4-1(-.
0. 2 = 5
Après la simplification de l’équation (I.9), on obtient l’équation de continuité
0#+,(
01 + 0#64(0. = 5
Figure : Volume de contrôle considérer.
Annexe
3
I.2.2. L’équation de conservation de quantité de mouvement :
est L’équation d’un système de corps soumis à aucune force extérieure mais
entrant en collision les uns avec les autres.
ρ ∂u∂t dxdy + <ρ#u dy( + ∂#ρu dy(dx
∂x − ρ#u dy(=+ <ρ#uvdx( + ∂#ρvudx(dy
∂y ρ#vudx(=
= ρdy − /ρ#dy( + >#ρ?@(?A>A 2 + µ /> B
>AC + > B>@C2 dxdy
Suivant la direction (x) et en divisant par dxdy :
ρ>D>E + /ρu + >ρDF
>A 2 = − >G>A + µ /> H
>AC + > H>@C2
Le terme gauche de l’équation peut être exprimé comme suit :
ρ ∂u∂t + ∂#ρu (
∂x + ∂#ρvu(∂x = ρ ∂u
∂t + u ∂#ρu(∂x + ρu ∂u
∂x + u ∂#ρv(∂y + ρv ∂u
∂y
= ρ >D>E + u />#ρD(
>A + >#ρF(>@ 2 + ρu >D
>A + ρv >D>@
Suivant la direction (y) :
ρ ∂v∂t dxdy + ρv dx + ∂#ρv dx(dy
∂y − ρv dx + ρuvdy + ∂#ρuvdy(dx∂x − ρuvdy
= pdx − /pdx + >#I?A(?@>@ 2 + μ J> B
>AC + > B>@C K dxdy − ρ′gdxdy.
Donc l’équation donne un écoulement permanent
u ∂v∂x + v ∂v
∂y = − 1ρ ∂v
∂y + ʋ N∂2F∂x + ∂2F∂y P − ρ́ρ g.
Annexe
4
I.2.3. L’équation d’énergie :
u >R>A + v >R
>S = λ
ρTU [> R>A + > R
>@ ]. I.2.4 équation de Navier-Stokes
X Nu ∂u∂x + v ∂u
∂YP = − ∂p∂x + Z <∂ u
∂x + ∂ u∂y =
X Nu ∂[∂x + v ∂v
∂YP = − ∂p∂y + Z <∂ v
∂x + ∂ v∂y = + X\#T − $] (g
Annexe
5
Annexe II
II.1 Les différentes étapes à suivre pour la modélisation numérique :
Les principales étapes à suivre lors du travail sur le logiciel de calcul FLUENT
Nécessitent la connaissance de certaines notions théoriques de base. Ces notions, concernent
notamment, les définitions des principales équations régissant l’écoulement.
La résolution numérique par Fluent d’une manière générale, suit les étapes suivantes :
1. Création de la géométrie sous le Logiciel GAMBIT.
2. Choix de la stratégie de maillage et création de plusieurs grilles.
3. Définition des conditions aux limites dans GAMBIT.
4. Définition du problème sous le logiciel FLUENT, étude des différentes grilles de maillage.
Et sélection du maillage retenue.
5. Calcul avec FLUENT pour les différents cas retenus.
6. Analyse des résultats obtenus.
II.2 Présentation de GAMBIT et de FLUENT :
II.2.1. GAMBIT :
GAMBIT est un logiciel de DAO (Dessin Assisté par Ordinateur) et de génération de
Maillage. Gambit est un logiciel qui permet de réaliser des géométries en 2D ou 3D et de
construire le maillage. Largement répandus dans l’industrie (automobile, aéronautique,
spatiale, etc.) en raison de son interface graphique puissante, il permet aussi de réaliser tout
type de géométries complexes (fixes ou mobiles) associées à des maillages fixes ou adaptatifs.
II.2.2. FLUENT :
FLUENT est un code de calcul pour modéliser les écoulements des fluides et les
Transferts thermiques dans des géométries complexes. Il peut résoudre des problèmes
D’écoulement avec des mailles non structurées, qui peuvent être produites pour des
géométries complexes, avec une relative facilité.
Les types de mailles supportées sont :
Des mailles en 2D, triangulaires ou quadrilatérales.
Des mailles en 3D tétraédriques/hexaédriques/pyramidales .
Des mailles (hybrides) mixtes.
Annexe
6
FLUENT est écrit en langage de programmation C et utilise pleinement la flexibilité et la
puissance offerte par ce langage (ex. : allocation de la mémoire dynamique). En outre, il
utilise une architecture qui lui permet d’exécuter plusieurs processus simultanément sur le
même poste de travail ou sur des postes séparés pour une exécution plus efficace.
II.3. Choix du maillage :
Le choix du meilleur maillage est fait à partir des résultats obtenus de solveur : Dans touts les
problèmes des méthodes numérique, le maillage a une influence directe sur les résultats, Il est
important que le maillage soit resserré dans toutes les zones où les variables présentent de
forts gradients, en particulier au voisinage des parois. Afin de choisir un maillage optimal
pour obtenir des résultats numériques acceptables, le maillage est basé sur le principe de la
conservation de la masse, et plus précisément sur le fait que l’erreur relative de la différence
entre le débit massique entrant et sortant qui est choisi comme critère d’optimisation avec le
moindre nombre d’itérations, et aussi la vitesse moyenne de débit à la sortie qui maintient
constante a un certain raffinement, Voir Tableau(1) et figure (1) .
Tableau -1- : la vitesse moyenne pour a chaque maillage.
Maillage Vitesse moyenne à
la sortie
Cas1 (6.60) 0.00711
Cas2 (7.70) 0.0156
Cas3 (8.80) 0.0284
Cas4 (10.100) 0.0288
Cas5 (15.150) 0.0289
Cas6 (20.170) 0.0291
Annexe
7
Figure -1- : la vitesse moyenne à la sortie pour chaque raffinement
Une résolution plus fine donne alors la même solution numérique, indépendante de la qualité
et du nombre de mailles ou la vitesse à la sortie est constante quoi qu’elle soit (augmente) la
densité de maillage. Avec la moindre différence de débit de masse donc le maillage le plus
adéquat est de (10.100).Cela est le maillage adopté dans cette étude c’est un maillage
structuré non uniforme avec un raffinage de la grille au niveau des zones près de la paroi.
Figure -2- maillage choisi
II.4.Modèle de turbulence (k-epsilon) :
Le modèle K-epsilon est l'un des plus courantes des modèles de turbulence. Il s'agit d'un
modèle à deux équations, ce qui signifie, il comprend deux équations de transport
supplémentaire pour représenter les propriétés turbulentes de l'écoulement.
Annexe
8
Cela permet à un modèle d'équation de deux à tenir compte des effets d'histoire comme la
convection et la diffusion de l'énergie turbulente. La premiére variable est transporté énergie
cinétique turbulente. La deuxième variable transportés dans ce cas est la dissipation
turbulente c'est la variable qui détermine l'échelle de la turbulence, tandis que la première
variable détermine l'énergie dans la turbulence .Il ya deux principales formulations de
K-epsilon modèle. L'impulsion intiale pour le modèle K-epsilon a été d'améliorer le modèle
longueur de mélange, ainsi que de trouver une alternative à la prescription algébriquement
Des échelle de longeur turbulentes dans les formes modérées à des flux de haute compplexité
.Le modèle K-epsilon a été montré pour être utile pour les flux de la couche libr-
ciasaillement avec des gradients de pressions relativement petite . De même, pour les flux de
mur-bornée et interne, le modèle donne de bons résultats que dans les cas ou les gradients de
pression moyenne sont de petite taille ; l'exactitude a été montrée expérimentalement être
réduit pour les flux contenant de grands gradients de pression adverses. On pourrait en
déduire donc que le modèle K-epsilon serait un bon choix pour des problèmes tels que des
entrées et sorties des conduites, compresseurs, pour calculer la condition aux limites pour ces
modèle.
II.5.Summary:
Models
------
Model Settings
----------------------------------------------------------------
Space 2D
Time Steady
Viscous Standard k-epsilon turbulence model
Wall Treatment Standard Wall Functions
Heat Transfer Enabled
Solidification and Melting Disabled
Radiation None
Species Transport Disabled
Coupled Dispersed Phase Disabled
Pollutants Disabled
Pollutants Disabled
Annexe
9
Soot Disabled
Boundary Conditions
-------------------
Zones
name id type
---------------------------------------
fluid.7 2 fluid
sort_air_ 3 pressure-outlet
entr_air_ 4 pressure-inlet
d 5 wall
g 6 wall
i 7 wall
s 8 wall
default-interior 10 interior
Boundary Conditions
fluid.7
Condition Value
------------------------------------------------------------------
Material Name air
Specify source terms? no
Source Terms ( )
Specify fixed values? no
Fixed Values ( )
Motion Type 0
X-Velocity Of Zone (m/s) 0
Y-Velocity Of Zone (m/s) 0
Rotation speed (rad/s) 0
X-Origin of Rotation-Axis (m) 0
Y-Origin of Rotation-Axis (m) 0
Deactivated Thread no
Laminar zone? no
Set Turbulent Viscosity to zero within laminar zone? yes
Porous zone? no
Annexe
10
X-Component of Direction-1 Vector 1
Y-Component of Direction-1 Vector 0
Relative Velocity Resistance Formulation? yes
Direction-1 Viscous Resistance (1/m2) 0
Direction-2 Viscous Resistance (1/m2) 0
Choose alternative formulation for inertial resistance? no
Direction-1 Inertial Resistance (1/m) 0
Direction-2 Inertial Resistance (1/m) 0
C0 Coefficient for Power-Law 0
C1 Coefficient for Power-Law 0
Porosity 1
Solid Material Name aluminum
sort_air_
Condition Value
---------------------------------------------------
Gauge Pressure (pascal) 0
Backflow Total Temperature (k) 300
Backflow Direction Specification Method 1
X-Component of Flow Direction 1
Y-Component of Flow Direction 0
X-Component of Axis Direction 1
Y-Component of Axis Direction 0
Z-Component of Axis Direction 0
X-Coordinate of Axis Origin (m) 0
Y-Coordinate of Axis Origin (m) 0
Z-Coordinate of Axis Origin (m) 0
Turbulent Specification Method 0
Backflow Turbulent Kinetic Energy (m2/s2) 1
Backflow Turbulent Dissipation Rate (m2/s3) 1
Backflow Turbulent Intensity (%) 0.1
Backflow Turbulent Length Scale (m) 1
Backflow Hydraulic Diameter (m) 1
Backflow Turbulent Viscosity Ratio 10
is zone used in mixing-plane model? no
Annexe
11
Specify targeted mass flow rate no
Targeted mass flow (kg/s) 1
entr_air_
Condition Value
--------------------------------------------------
Gauge Total Pressure (pascal) 0
Supersonic/Initial Gauge Pressure (pascal) 0
Total Temperature (k) 300
Direction Specification Method 1
X-Component of Flow Direction 1
Y-Component of Flow Direction 0
X-Component of Axis Direction 1
Y-Component of Axis Direction 0
Z-Component of Axis Direction 0
X-Coordinate of Axis Origin (m) 0
Y-Coordinate of Axis Origin (m) 0
Z-Coordinate of Axis Origin (m) 0
Turbulent Specification Method 0
Turbulent Kinetic Energy (m2/s2) 1
Turbulent Dissipation Rate (m2/s3) 1
Turbulent Intensity (%) 0.1
Turbulent Length Scale (m) 1
Hydraulic Diameter (m) 1
Turbulent Viscosity Ratio 10
is zone used in mixing-plane model? no
d
Condition Value
-------------------------------------------------------------
Wall Thickness (m) 0
Heat Generation Rate (w/m3) 0
Material Name aluminum
Thermal BC Type 1
Temperature (k) 300
Heat Flux (w/m2) 0
Annexe
12
Convective Heat Transfer Coefficient (w/m2-k) 0
Free Stream Temperature (k) 300
Wall Motion 0
Shear Boundary Condition 0
Define wall motion relative to adjacent cell zone? yes
Apply a rotational velocity to this wall? no
Velocity Magnitude (m/s) 0
X-Component of Wall Translation 1
Y-Component of Wall Translation 0
Define wall velocity components? no
X-Component of Wall Translation (m/s) 0
Y-Component of Wall Translation (m/s) 0
External Emissivity 1
External Radiation Temperature (k) 300
Wall Roughness Height (m) 0
Wall Roughness Constant 0.5
Rotation Speed (rad/s) 0
X-Position of Rotation-Axis Origin (m) 0
Y-Position of Rotation-Axis Origin (m) 0
X-component of shear stress (pascal) 0
Y-component of shear stress (pascal) 0
Surface tension gradient (n/m-k) 0
Specularity Coefficient 0
g
Condition Value
-------------------------------------------------------------
Wall Thickness (m) 0
Heat Generation Rate (w/m3) 0
Material Name aluminum
Thermal BC Type 1
Temperature (k) 300
Heat Flux (w/m2) 0
Convective Heat Transfer Coefficient (w/m2-k) 0
Free Stream Temperature (k) 300
Annexe
13
Wall Motion 0
Shear Boundary Condition 0
Define wall motion relative to adjacent cell zone? yes
Apply a rotational velocity to this wall? no
Velocity Magnitude (m/s) 0
X-Component of Wall Translation 1
Y-Component of Wall Translation 0
Define wall velocity components? no
X-Component of Wall Translation (m/s) 0
Y-Component of Wall Translation (m/s) 0
External Emissivity 1
External Radiation Temperature (k) 300
Wall Roughness Height (m) 0
Wall Roughness Constant 0.5
Rotation Speed (rad/s) 0
X-Position of Rotation-Axis Origin (m) 0
Y-Position of Rotation-Axis Origin (m) 0
X-component of shear stress (pascal) 0
Y-component of shear stress (pascal) 0
Surface tension gradient (n/m-k) 0
Specularity Coefficient 0
i
Condition Value
-------------------------------------------------------------
Wall Thickness (m) 0
Heat Generation Rate (w/m3) 0
Material Name aluminum
Thermal BC Type 0
Temperature (k) 297
Heat Flux (w/m2) 0
Convective Heat Transfer Coefficient (w/m2-k) 0
Free Stream Temperature (k) 300
Wall Motion 0
Shear Boundary Condition 0
Annexe
14
Define wall motion relative to adjacent cell zone? yes
Apply a rotational velocity to this wall? no
Velocity Magnitude (m/s) 0
X-Component of Wall Translation 1
Y-Component of Wall Translation 0
Define wall velocity components? no
X-Component of Wall Translation (m/s) 0
Y-Component of Wall Translation (m/s) 0
External Emissivity 1
External Radiation Temperature (k) 300
Wall Roughness Height (m) 0
Wall Roughness Constant 0.5
Rotation Speed (rad/s) 0
X-Position of Rotation-Axis Origin (m) 0
Y-Position of Rotation-Axis Origin (m) 0
X-component of shear stress (pascal) 0
Y-component of shear stress (pascal) 0
Surface tension gradient (n/m-k) 0
Specularity Coefficient 0
s
Condition Value
-------------------------------------------------------------
Wall Thickness (m) 0
Heat Generation Rate (w/m3) 0
Material Name aluminum
Thermal BC Type 0
Temperature (k) 313
Heat Flux (w/m2) 0
Convective Heat Transfer Coefficient (w/m2-k) 0
Free Stream Temperature (k) 300
Wall Motion 0
Shear Boundary Condition 0
Define wall motion relative to adjacent cell zone? yes
Apply a rotational velocity to this wall? no
Annexe
15
Velocity Magnitude (m/s) 0
X-Component of Wall Translation 1
Y-Component of Wall Translation 0
Define wall velocity components? no
X-Component of Wall Translation (m/s) 0
Y-Component of Wall Translation (m/s) 0
External Emissivity 1
External Radiation Temperature (k) 300
Wall Roughness Height (m) 0
Wall Roughness Constant 0.5
Rotation Speed (rad/s) 0
X-Position of Rotation-Axis Origin (m) 0
Y-Position of Rotation-Axis Origin (m) 0
X-component of shear stress (pascal) 0
Y-component of shear stress (pascal) 0
Surface tension gradient (n/m-k) 0
Specularity Coefficient 0
default-interior
Condition Value
-----------------
Solver Controls
---------------
Equations
Equation Solved
-------------------
Flow yes
Turbulence yes
Energy yes
Numerics
Numeric Enabled
---------------------------------------
Absolute Velocity Formulation yes
Relaxation
Variable Relaxation Factor
Annexe
16
----------------------------------------------
Pressure 0.3
Density 1
Body Forces 1
Momentum 0.7
Turbulent Kinetic Energy 0.8
Turbulent Dissipation Rate 0.8
Turbulent Viscosity 1
Energy 1
Linear Solver
Solver Termination Residual Reduction
Variable Type Criterion Tolerance
------------------------------------------------------------------------
Pressure V-Cycle 0.1
X-Momentum Flexible 0.1 0.7
Y-Momentum Flexible 0.1 0.7
Turbulent Kinetic Energy Flexible 0.1 0.7
Turbulent Dissipation Rate Flexible 0.1 0.7
Energy Flexible 0.1 0.7
Pressure-Velocity Coupling
Parameter Value
------------------
Type SIMPLE
Discretization Scheme
Variable Scheme
-----------------------------------------------
Pressure Standard
Momentum First Order Upwind
Turbulent Kinetic Energy First Order Upwind
Turbulent Dissipation Rate First Order Upwind
Energy First Order Upwind
Solution Limits
Quantity Limit
---------------------------------------
Annexe
17
Minimum Absolute Pressure 1
Maximum Absolute Pressure 5e+10
Minimum Temperature 1
Maximum Temperature 5000
Minimum Turb. Kinetic Energy 1e-14
Minimum Turb. Dissipation Rate 1e-20
Maximum Turb. Viscosity Ratio 100000
Annexe
18
Annexe III
Tableau -1 -: Les paramètres physiques de l’air.
Désignation Expression
Coefficient de dilatation thermique β =1/Tm
volumétrique de l’air
ρ= [1.1614-0.00353 (Tm-300)]
Densité (la masse volumique) μ = [1.846+0.00472 (Tm-300)]×10-5
Viscosité dynamique
Viscosité cinématique υ = μ/ ρ
Conductivité thermique de l’air K = [0.0263+0.000074(Tm-300)
Chaleur spécifique du fluide. Cp = [1.007+0.00004(Tm300)103
Tableau -2- : Calcul du coefficient de transmission de chaleur K.
Résume :
Ce travail met la lumière sur les écoulements de convection naturelle dans l'enveloppe d'un bâtiment
qui s'intègre dans une démarche de maîtrise de a diminution les consommations énergétiques des
bâtiments et d’assurer une bonne isolation d’hiver et un confort d’été.
Dans ce cadre, on s’intéresse particulièrement à l’étude de la lame d’air ventilée conçue entre la
couverture et l’isolation de la toiture et son impact sur les performances thermiques d'une toiture par
un produit réfléchissant en été sous l’effet de l’ensoleillement.
Un travail de modélisation du système est réalisé avec le code CFD et validé par les résultats
expérimentaux. Des corrélations pour le débit d’air induit et les coefficients d’échanges convectifs
sont proposées pour être imposer dans cette étude.
Mots clés: Convection Naturelle – Produit Mince Réfléchissant (PMR) - Enveloppe du Bâtiment –
Modélisation Energétique – CFD Fluent.
Abstract:
This job puts light on study of the flows of natural convection in the envelope of a building which fits
in with a step of workmanship reduction energy consumption of buildings and to assure good winter
insulation and a summer comfort.
In this frame, is particularly interested in the study of the ventilated blade of air conceived between the
coverage and the insulation of the roofing and its impact on the thermal performances of the complex
of roofing product thinking in summer under the influence of hours of sunshine.
A system modeling work will be conducted under the CFD code will be validated by experimental
results. Correlations for the air flow armature and the coefficients of convective exchanges are
proposed to be imposed in this study.
Key words: natural convection – Product thin reflector - Building Envelope – Modeling Energétique – CFD Fluent.
: ملخص
استهالكهذا العمل يسلط الضوء على دراسة تدفقات الحمل الحراري الطبيعي في مغلف المبنى الذي يمثل نموذج في التحكم للحد من
.الطاقة في المباني و ضمان العزل في الشتاء و الراحة الحرارية في الصيف
نهتم بشكل خاص في دراسة الكتل الهوائية المصممة بين الغطاء و عزل السقف و تأثيرها على االداء الحراري للمواد في هذا السياق
برنامج عن طريق يالتجريب م النمذجة من خالل النتائجسيتم التحقق و ستجرى عمل نظا .الرقيقة العاكسة ألشعة الشمس في السقف
Fluent CFD ,.الدراسةو يتم اقتراح عالقات لتحديد تدفق الهواء و معامالت التبادل الحراري التي تفرض في هذه
. CFD - نمذجة ال طاقة –غالف المبنى - المواد الرقيقة العاكسة - ألطبيعي الحمل : الكلمات الدالة