Approche expérimentale de la ventilation par déplacement
Résumé
Every heat source set in a fluid is responsible for buoyancy forces. By entraining ambient air, these forces produce a plume which may transport a passive contaminant. In a room where such sources are present,
the principle of displacement ventilation is to supply fresh air in the lower part of a room. A vertical stratification appears showing a clean lower zone and a warmer and poliuted upper zone where a recirculation flow occurs.
Similarity conditions, based on convective heat transfer, allowed us to define an hydraulic model of a configuration of a typical industrial room. Thermal natural convection flows were simulated by mass transfer
phenomena and pure axisymmetric buoyant plumes were produced inside the model. These plumes were characterised by velo city measurements using Laser Doppler Anemometry. An experimental technique based on digital processing of images obtained from Laser Induced Fluorescence was developed to
measure concentration. The light fluid injected at the source was marked with a fluorescent tracer in order to study the interface zone, where two fluids of different densities mix. The increase in thickness of this interface
was observed. Finally, this work focused on the variation of the stratification height as a function of ventilation flow rate and of
several source parameters. The measurements allowed us to distinguish two zones. Far above the source, the stratification height is correctly described by a form used for volume flux in a fully developed plume. To describe
the stratification height when it is close to the elevation of the source (at a distance shorter than a source diameter), a form using the ventilation volume flow rate, the initial buoyancy flux and the characteristic dimension
of the source was proposed.
Toute source de chaleur dans un milieu fluide est à l'origine de forces de flottabilité. Celles-ci provoquent la formation d'un panache, entraînant un certain débit d'air ambiant et assurant éventuellement le transport d'un polluant passif. Le principe de la ventilation par déplacement est d'insuffler de l'air neuf en partie
basse d'un local contenant de telles sources. Il en résulte une stratification verticale du local mettant en évidence une zone inférieure dépolluée et un écoulement recirculé dans une zone supérieure plus chaude et polluée.
Des conditions de similitude, basées sur les phénomènes de transfert thermique par convection naturelle ont permis de définir une maquette de simulation hydraulique en rapport avec une configuration typique d'un local
industriel. Il a été ainsi possible de générer des panaches purs axisymétriques dans la maquette en simulant les phénomènes de convection thermique par des phénomènes de transfert de masse. Ces panaches ont été caractérisés par des mesures de vitesse par vélocimétrie laser Doppler. Une technique
d'imagerie par Fluorescence Induite par Laser a également été développée et a permis, par la mesure de champs de concentration d'un traceur injecté au niveau des sources, de caractériser l'interface entre les deux
zones d'écoulement. Ainsi, l'augmentation de l'épaisseur d'interface avec la hauteur de stratification a pu être
observée. L'analyse de résultats expérimentaux est axée sur l'évolution de la hauteur de stratification en fonction du débit
de ventilation et des différents paramètres de la source. Les mesures ont permis de distinguer deux zones. Assez loin de la source, les hauteurs de stratification sont bien représentées par une formulation basée sur celle
du débit emporté par un panache développé. Pour décrire les hauteurs de stratification dans la zone proche de la
source (pour des hauteurs inférieures à un diamètre de source), une formulation prenant en compte le débit de
ventilation, le flux de flottabilité à la source et la dimension caractéristique de la source a été proposée.