Etude d’un écoulement turbulent de convection naturelle en enceinte cubique comprenant un obstacle partiellement chauffé induisant des conditions aux limites instationnaires

Les écoulements soumis à des effets de flottabilité prépondérants sont observés dans de nombreux secteurs industriels, tels que le nucléaire ou l’automobile. On peut par exemple citer la problématique du refroidissement d’un compartiment moteur qui est un point essentiel dans le dimensionnement d’un véhicule. Suite à un arrêt brutal du moteur après une forte sollicitation, l’intégrité du moteur doit être préservée alors même qu’il n’est plus refroidi par un écoulement externe forcé. Pour de telles situations, la convection naturelle, souvent en régime turbulent, doit permettre d’assurer le refroidissement (cas dimensionnant).

Le projet ANR MONACO_2025, au sein duquel s’inscrit cette étude expérimentale, a pour ambition de résoudre les problèmes rencontrés par les partenaires industriels lors de simulations d’écoulements turbulents avec effets de flottabilité dominants en espace confiné ainsi que d’améliorer la compréhension des phénomènes physiques observés pour ce type d’écoulement. En effet, à ce jour, les modèles RANS développés et compatibles avec des temps de calculs adaptés à un contexte industriel ne rendent pas compte avec une précision suffisante des interactions entre la turbulence et les effets de flottabilité et par conséquent les transferts sont souvent mal quantifiés.

Une configuration de référence est définie, permettant d’étudier un écoulement d’air en espace confiné représentatif des régimes rencontrés dans le domaine automobile. Le compartiment moteur a été simplifié en une cavité cubique comportant en son sein un obstacle cubique partiellement chauffé sur l’une de ses faces verticales. Cet obstacle occupe plus de 50% du volume interne disponible.

Pour cette étude, l’écoulement étudié est caractérisé par un nombre de Rayleigh basé sur la hauteur du bloc chauffant variant de Ra_H$=0,25(±0,1)×10^9$ à 1,98(±0,1)×10^9$. Pour obtenir cet écoulement, un obstacle cubique de dimension H^3$=(0,8m)^3$ est placé au centre d’une cavité cubique de dimensions supérieures L^3$=(1 m)^3$. Cet obstacle est exclusivement chauffé sur l’une de ses faces verticales à une température T_c$ variant au cours du temps tandis que deux parois verticales et opposées de la grande cavité le contenant sont maintenues à une température T_f$(=T_amb$). Une des parois à T_f$ de la grande cavité est alors en vis-à-vis de la face de l’obstacle à T_c$ de sorte que l’on obtient une différence de température dans le canal chauffé. Les parois verticales avant et arrière ainsi que les parois horizontales haute et basse de la grande cavité sont adiabatiques. La configuration ainsi définie conduit à la définition de 4 zones d’études : 2 canaux verticaux (dont 1 différentiellent chauffé) et 2 canaux horizontaux interconnectés. L’étude se focalisera uniquement sur les 2 canaux verticaux. Les champs de vitesses sont obtenus par Vélocimétrie par Images de Particules (PIV). Ils mettent en évidence notamment, la mise en place progressive d’une cellule de recirculation au sein du canal vertical différentiellement chauffé. De plus, une étude des propriétés de similarité de la couche limite ascendante est réalisée dans ce canal. Enfin, un déplacement d’une zone de séparation entre un écoulement ascendant et un écoulement descendant le long de la paroi de l’obstacle est observée au sein de l’autre canal vertical (non-chauffé).