Etude expérimentale de l’influence du rayonnement sur la dynamique d’un écoulement turbulent de convection naturelle en cavité différentiellement chauffée

Les écoulements de convection naturelle sont des écoulements générés par la présence d’un gradient de masse volumique au sein d’un fluide souvent induit par un gradient de température et soumis à un champ de pesanteur. Ces écoulements sont très fréquemment observés dans la vie courante, par exemple lorsque de l’air ambiant est chauffé par un radiateur. Ils sont également présents dans de nombreux domaines industriels où ils peuvent jouer en particulier un rôle important pour l’optimisation des transferts thermiques fluide-paroi. La cavité différentiellement chauffée (CDC) correspond à l’une des configurations académiques couramment utilisées pour étudier les écoulements et les transferts dans une telle situation. Il s’agit d’une enceinte fermée parallélépipèdique comprenant deux parois imposant un gradient de température. Elle possède plusieurs avantages : la géométrie de la cavité est simple, elle empêche tout transfert de masse provenant du milieu extérieur, le contrôle des conditions aux limites du système est bien assuré (c’est en particulier le cas de l’émissivité des parois). Ces deux derniers points sont essentiels pour l’étude de la convection naturelle. En effet, ceux-ci sont particulièrement sensibles aux conditions aux limites. De nombreuses études portant sur ce phénomène existent. Cependant, ce n’est que depuis récemment que le rayonnement des gaz est pris en compte avec des approches représentatives du comportement radiatif réel des fluides. A titre d’exemple, les études de Soucasse et al. (2014) et Djanna et al. (2008) ont mis en évidence son influence notable sur la dynamique de l’écoulement et les transferts thermiques associés. Néanmoins, dans le cadre d’écoulements fortement turbulents, il n’existe pas encore d’études expérimentales complètes portant sur ce sujet dans une cavité différentiellement chauffée verticale (gradient de température horizontal imposé). L’objectif général de ce travail est ainsi de caractériser expérimentalement les effets du rayonnement sur un écoulement de convection naturelle fortement turbulent (Ra=1.2e11). Cette étude s’inscrit dans la continuité du travail de Belleoud et al. (2018) qui ont étudié expérimentalement ces écoulements et les transferts associés en l’absence de rayonnement. La cavité différentiellement chauffée verticale utilisée dans cette étude mesure 3,84 m de haut, 1,0 m de long et 1,02 m de large. Avec cette cavité, une faible différence de température (dT ≃\simeq 20∘^{\circ}C) suffit pour générer un écoulement fortement turbulent tout en respectant l’approximation de Boussinesq. Afin d’observer les effets du rayonnement sur l’écoulement, une comparaison est faite en modifiant les propriétés radiatives des parois adiabatiques de la cavité (emissivités). Tout d’abord, un film aluminisé d’émissivité ε\varepsilon = 0.10 recouvre ces dernières. Puis, le revêtement est enlevé et de la peinture noire est appliquée pour obtenir une émissivité valant ε\varepsilon = 0.95 . La dynamique de l’écoulement est caractérisée grâce à la Vélocimétrie par Image de Particules (PIV) pour ces 2 cas et permet de mettre en évidence la contribution du rayonnement sur la dynamique de l’écoulement dans les différentes zones d’intérêt du système (couches limites, cœur de la cavité, ...) et de quantifier ainsi la contribution du rayonnement en situation réelle.

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