Experimental contributions concerning the flow through a horizontal opening in natural convection : application to natural smoke removal of buildings

Ce travail de recherche porte sur l’étude de l'écoulement d'échange naturel à travers un évent horizontal situé au plafond d'une enceinte munie d'une ouverture verticale en partie basse. Cet échange est contrôlé à la fois par les effets de flottabilité, dus à une différence de température entre le fluide contenu dans le compartiment et l’extérieur, et par le taux de confinement du compartiment, exprimé par le rapport entre la section d'admission d'air en partie basse aB et celle de l’évent aT. L'écoulement à travers l’évent présente deux régimes caractéristiques, monodirectionnel et bidirectionnel, suivant le rapport des sections des ouvertures. Une étude expérimentale à échelle réduite est conduite en se focalisant sur la problématique du remplissage et de la vidange simultanés d’un local ventilé naturellement avec une source de flottabilité. L’objectif est de caractériser la transition et de faire le lien entre ces deux régimes. D'abord, la zone de transition est déterminée à partir de l’analyse de signaux de température recueillis au sein de l’évent couplée à des observations par nappe laser. Les résultats en régime thermique établi délimitent la zone de transition dans une plage(aB / aT) crit ∈ [0.09, 0.18]. Ensuite, les écoulements au niveau de l’évent sont caractérisés grâce à la technique de vélocimétrie par imagerie de particules stéréoscopique (SPIV, par ses sigles en anglais) sur une large plage du rapport des sections des ouvertures. Sur la base des débits mesurés par SPIV, une modélisation du débit est proposée afin de faire le raccordement entre un régime bidirectionnel pour une condition de confinement (aB / aT = 0) et un régime monodirectionnelThis work focuses on the study of the natural exchange flow through a horizontal vent located on the ceiling of an enclosure with a vertical opening at low-level. This exchange flow is controlled by both the buoyancy effects, due to a temperature difference between the fluid contained in the compartment and the outside, and the containment rate of the compartment, expressed by the ratio of the opening areas, aB in the lower part and aT at the vent. The flow through the vent has two characteristic regimes, unidirectional and bidirectional, depending on the ratio of the opening areas. A small-scale experimental study is conducted focusing on the problem of simultaneous filling and emptying of a naturally ventilated room subject to a source of buoyancy. The purpose is to characterize the transition and to make the link between these two regimes. First, the transition zone between the two types of flow is determined from the analysis of temperature signals collected within the horizontal opening coupled with laser observations. The established thermal results delineate the transition zone in a range of (aB / aT)crit ∈ [0.09,0.18]. Then, the vent flows are characterized using the stereo particle image velocimetry technique (SPIV) over a wide range of the ratio of the opening areas. Based on the flows measured by SPIV, a flow modelling at the vent is proposed to make the connection between a bidirectional regime for a confined condition (aB / aT = 0) and a unidirectional regim