Simulation numérique d'un écoulement d'air dans un canal implanté au toit d'un bâtiment ayant le même rôle qu'un capteur solaire

Abstract

استخدام نظم الطاقة الشمسية في التدفئة و التكييف الهوائي للمباني يسمح لنا بتجنب استخدام الطاقات الحفرية المكلفة و حماية الغلاف الجوي من الغازات المسببة للاحتباس الحراري. باستخدام القنوات الهوائية المزروعة تحت الغلاف الخارجي للسقف، حركة الهواء الساخن تتم بطريقة طبيعية و هذا يسمح لنا بتسخين او تكييف المنزل، لهذا فنحن مهتمون بتدفق الهواء من خلال قناة تقع تحت السقف و التي تلعب دور مستقبلات الطاقة الشمسية. الهدف من هذا العمل هو الدراسة العددية للحمل الحراري مع و بدون الاشعاع في قناة مائلة. التدفق مضطربا و عليه تم استخدام نموذج k-£. اين تم تصديق (او اثبات) النموذج العددي عن طريق مقارنته باعمال اخرى (تجريبية و عددية) لباحثين اخرين. تم تحليل اثر مختلف العوامل مثل ميل و سمك القناة و كذالك درجة حرارة جدرانها لتحقيق شروط تدفق مثالي للهواء. الجزء الاول من البحث خصص لدراسة الحمل الحراري بدون اشعاع في ثلاثة قنوات ذات اشكال مختلفة، قناة ذات جدران مستوية، قناة ذات سطح علوي متموج، و قناة ذات جدران مستوية مجهزة بشفراة مثبتة على الجدار العلوي للقناة. تم الحصول على علاقات خاصة بالتدفق الكتلي و ما يسمى بعدد Nusselt الخاص بالسطح العلوي و كذا الخاص بشريحة الهواء بدلالة المتغيرين عدد Rayleigh و النسبة بين سمك و طول القناة. في الجزء الثاني، تم ادماج المبادلات الاشعاعية بين الجدران و تم الحصول على علاقات خاصة بعدد Nusselt الكلي و الاشعاعي للاشكال الثلاثة المدروسة. في الجزء الثالث، حاولنا الاقتراب الى سقف الفعلي من خلال دراسة تاثير خصائص المواد المستخدمة في بناء الاسقف عن طريق فرض تدفق حراري مستمر على الجدران و هو شرط اكثر واقعية. The use of passive solar systems in heating and cooling of buildings allows us to avoid the use of fossil fuels (which are expensive) and protect the atmosphere of greenhouse gases. Using channels under roofs (which act as a solar collector), the hot air circulation is done naturally, and this allows us to cool or heat the building. We are interested in the flow of air through a channel located below the roof that has the same role as a solar collector. The objective of this work is to study numerically the convective heat transfer with and without radiation in an inclined channel. The flow is turbulent and convection was modeled using the k-£ model. The numerical results are validated by experimental and numerical results available in the literature. The effect of various parameters such as tilt, the channel thickness and wall temperatures is analyzed in order to reach to optimal air flow conditions. For this three parts are considered. The first part of this thesis is devoted to the study of natural convection without coupling of radiation for three different configurations, flat plates channel, channel with a sinusoidal top plate and a flate plates channel provided with blades attached to the upper wall. Correlations were obtained for the mass flow, the average Nusselt number of the top wall and the average Nusselt number of the air gap as a function of the aspect ratio and the Rayleigh number. In the second part the radiative exchange between surfaces were introduced and new correlations were obtained for total and radiative Nusselt numbers for the different configurations. In the third part, we have approach to the real roof by the study of the effect of material properties on the behavior of such system by imposing a constant heat flow at the upper plate which is the more realistic condition. L'utilisation des systèmes solaires passifs dans le chauffage et la climatisation des bâtiments nous permet d'éviter l'utilisation des énergies fossiles (qui sont coûteuses) et de protéger l'atmosphère des gaz à effet de serre. Avec l'utilisation des canaux sous toiture (ayant le même rôle qu'un capteur solaire), la circulation d'air chaud se fait naturellement, ceci nous permet de refroidir ou de chauffer la construction. Dans cette étude on s'intéresse à l'écoulement d'air dans ces systèmes. L'objectif de ce travail est d'étudier numériquement le transfer de chaleur convectif sans et avec rayonnement dans un canal incliné. l'écoulement est turbulent et la convection a été modélisée en utilisant le modèle k-£. Les résultats numériques obtenus sont validés par des résultats expérimentaux et numériques disponibles dans la littérature. L'effet des différents paramètres tels que l'inclinaison, l'épaisseur du canal et les températures des parois est analysé afin d'arriver aux conditions optimales de circulation d'air. Pour cela trois parties ont été considérées. La première partie a été consacrée à l'étude de la convection naturelle sans couplage du rayonnement pour trois configurations différentes, canal à plaques planes (CPP), canal à plaque supérieure sinusoïdale (CPS) et un canal à plaques planes muni des lames jointes à la paroi supérieure (CPPML). Des corrélations ont été obtenues pour le débit massique, le nombre de Nusselt moyen de la paroi supérieure et le nombre de Nusselt moyen de la lame d'air en fonction du rapport d'aspect et du nombre de Rayleigh. Dans la deuxième partie, les échanges radiatifs entre surfaces ont été introduits et des nouvelles corrélations des nombres de Nusselt totale et radiatif ont été obtenues pour les différentes configurations. Dans la troisième partie, on s'est rapproché des conditions réelles d'un toit par l'étude de l'effet des propriétés des matériaux sur le comportement de tel système en imposant sur la paroi supérieure un flux constant qui est une condition plus réaliste.