Etude de la dynamique instationnaire d'un panache thermique soumis à une pesanteur variable
Creators: name: Doriat, Aurélien
name: Schreck, Cédric
name: Lalizel, Gildas
name: Moreau, Florian
Publisher: name: Société Française de Thermique
Year: 2019
Subjects: Convection naturelle
pesanteur variable
Background Oriented Schlieren

description: Les phénomènes de convection naturelle sont présents dans la nature : dans le manteau terrestre, dans les océans, dans l'atmosphère, ... mais aussi dans de nombreuses applications industrielles à travers le refroidissement de systèmes électroniques, dans certains modèles de centrales nucléaires, dans le contrôle thermique de l'habitat ou des habitacles (cabine d'avion, train, voiture, ...). Dans le domaine du spatial, les systèmes de refroidissement ou les habitacles sont soumis à une pesanteur variable entre la phase de décollage et la phase d'apesanteur par exemple. Lorsque la pesanteur est variable, les transferts convectifs peuvent être intensifiés, par rapport à ce qui se passe sur terre à 1g, ou au contraire être atténués voire ne plus exister et laisser place uniquement à la conduction et au rayonnement. Afin de maitriser le refroidissement des systèmes et le confort dans les habitacles, il est fondamental de comprendre la dynamique des transferts thermiques à pesanteur variable. Pour l'étude qui va suivre, c'est le cas académique du développement d'un panache thermique dans une cavité qui a été retenu. Des études sur la formation et l'évolution d'un panache convectif au-dessus d'un point chaud ont déjà été réalisées par de nombreux chercheurs comme [Kondrashov et al, 2016] et [Broučková et al, 2017]. Ces interactions ont aussi été étudiées autour d'un cylindre chauffé, à la fois expérimentalement [Grafsrønningen et al, 2012] et [Kuehner et al, 2012] et numériquement [Grafsrønningen et al, 2017]. Néanmoins, la simulation numérique est encore loin d'être satisfaisante pour représenter fidèlement ces couplages vitesses / température. L'état de l'art montre que les modèles utilisés par les ingénieurs dans les codes industriels sont peu satisfaisants dès lors que les effets de flottabilité doivent être pris en compte. Si par ailleurs la pesanteur est variable le problème est d'autant plus complexe. Afin d'étudier ces phénomènes sur un cas académique simple, un dispositif expérimental a été conçu. Il s'agit d'un cylindre chauffé dans une cavité. Le fluide de travail est l'eau. Afin d'obtenir un environnement à pesanteur variable, l'expérience a été placée dans l'avion zeroG de Novespace. Lors d'un vol, l'avion effectue 32 paraboles, ce qui permet d'obtenir une pesanteur variant périodiquement entre 0 et 2g. Or dans ce type de vol, les contraintes de sécurité pour les expériences sont très fortes. En particulier, il a été choisi de ne pas utiliser de techniques laser pour étudier le panache. La méthode retenue est la BOS (Background Oriented Schlieren). L'image d'un mouchetis (figure blanche avec un nuage de points noirs) est photographiée à travers l'expérience à l'aide d'un appareil photo. Or l'indice de réfraction de l'eau varie en fonction de la température. La présence de gradients de température associés à l'évolution spatio-temporelle du panache déplacent alors les points du mouchetis. Ce déplacement est déterminé à partir d'un algorithme d'intercorrélation d'images de P.I.V. De cette façon, on peut obtenir la dynamique instantanée et résolue en temps du champ de température du panache thermique. Cette dynamique est analysée pour différentes puissances de chauffage du barreau et lors des différentes phases du vol, c'est à dire pour une pesanteur variant entre 0 et 2g.