Etude des Øcoulements de convection naturelle dans l’enveloppe d’un bâtiment ·...

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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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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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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�

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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

�

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

��

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]

�

�

�

�

Figure (II.2) : Isolant mince réfléchissant Figure (II.1) : Isolant mince réfléchissant

à bulles. [2] multicouche. [2]

�

�


��

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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.


��

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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Figure (I.5) : Mise en �uvre des PMR en rampant de toiture. [3]

�

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�

�

�

�

�

�

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


��

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�


��

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 :


��

� !"# � $%�&' � &�� (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)


��

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.


��

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).


��

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<


��

)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]


��

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)


��

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].


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


��


littérature A=33.


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


��

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)


��

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)


��

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


�

��

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.


�

��

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)


�

��

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.


�

��

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 :


�

��

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


�

��

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)


�

��

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


�

��

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.


�

��

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°


�

��

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.


�

��

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)


�

��

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


��

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


��

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

��


��

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 :


��

�

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]


��

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.


��

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]


��

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


��

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.


��

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


��

.

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]


��

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�).�


��

��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 :


��

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

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Consom

mation é

nerg

étique

Mois

avec PMR

avce PMR+SBC

sans SBC


��

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

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Consom

mation é

nerg

étique

Mois

avec VITRE+SBC

avec VITRE

sans SBC


��

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

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Consom

mation é

nerg

étique

Mois

avec PMR

avec VITRE

Sans SBC


��

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.

�

�

�

�

�

��

��

�

�

�

��

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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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

-------------------------------------------------------------




Thermal BC Type 1

Temperature (k) 300

Heat Flux (w/m2) 0



Annexe

13

Wall Motion 0





















i

Condition Value

-------------------------------------------------------------




Thermal BC Type 0

Temperature (k) 297

Heat Flux (w/m2) 0



Wall Motion 0


Annexe

14




















s

Condition Value

-------------------------------------------------------------




Thermal BC Type 0

Temperature (k) 313

Heat Flux (w/m2) 0



Wall Motion 0




Annexe

15


















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

Etude des Øcoulements de convection naturelle dans l’enveloppe d’un bâtiment ·...

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