Figure 24 : Comparaison entre les pressions numériques et expérimentales pour deux nœuds du réseau de ventilation (rafale de vent de 22 à 36 m/s, incidence du vent de 0°, réseau de ventilation en fonctionnement, configuration I). Figure 27 : Comparaison entre les pressions numériques et expérimentales à l'intérieur du réseau de ventilation (surpression interne dans la salle D, réseau de ventilation en fonctionnement, sans vent, configuration II).
PROBLEMATIQUE ET APPROCHES A ECHELLE REDUITE
Introduction
La section I.2 aborde dans un premier temps la problématique de ces travaux concernant la sûreté des installations nucléaires. Aucune recherche n'a été trouvée dans la littérature dans le domaine de la ventilation des bâtiments industriels.
Problématique
Les formulations du nombre de Reynolds et du nombre d'Archimède soulignent l'incompatibilité des deux nombres. Dans ce dernier cas, le régime d'écoulement est maintenu sans respecter strictement le nombre de Reynolds.
Approches théoriques et expérimentales en ventilation naturelle
- Modélisation des écoulements en régime permanent
- Modélisation des écoulements en régime transitoire
- Expérimentations à échelle réduite
Cette longueur représente la longueur de la masse d'air effective, qui correspond à la masse d'air accélérée à l'ouverture. 22, Lei est la longueur effective de l'ouverture (m), V est le volume interne de la pièce (m3) et c est la vitesse du son (m/s).
Ecoulements transitoires dans les réseaux de ventilation des trains
- Méthodologie d'adimensionnement des réseaux de ventilation
- Limites de la méthodologie
Dès lors, une réduction des pressions est également nécessaire pour pouvoir reproduire un réseau de ventilation à échelle réduite, d'autant plus que la réduction de débit est forte. Ainsi, la méthodologie développée par Mariaux (1995) permet d'étudier les flux transitoires au sein d'un réseau de ventilation à échelle réduite.
Conclusion
Les travaux de fin d'études de Mariaux (1995) ont permis d'étudier à plus petite échelle les écoulements transitoires dans les réseaux de ventilation des trains. Pour cela, Mariaux a développé une méthodologie de dimensionnement des réseaux de ventilation, présentée dans la section I.4.
METHODOLOGIE D’ADIMENSIONNEMENT DES RESEAUX DE
Introduction
Ce chapitre est consacré à la méthodologie de dimensionnement des réseaux de ventilation, qui permet l'étude des écoulements isothermes en régimes stationnaire et transitoire. Ce chapitre présente dans un premier temps les équations utilisées pour le développement théorique de la méthodologie.
Modélisation des réseaux de ventilation
- Bilan macroscopique appliqué aux branches
- Bilan macroscopique appliqué aux nœuds
Pour l'étude des écoulements isothermes, les bilans macroscopiques considérés au nœud sont le bilan de conservation de masse et l'équation de transport d'un scalaire gazeux passif. 5 et en supposant que l'écoulement est isotherme, l'équation de conservation de masse s'exprime alors par.
Développement théorique de la méthodologie
- Modèle adimensionnel
- Nombres adimensionnels
- Nombres adimensionnels associés aux branches
- Nombres adimensionnels associés aux nœuds
- Similitude aéraulique
- Similitude du transport d'un scalaire passif
La similarité de transport d'un scalaire passif est ensuite traitée dans la section II.3.4, en considérant des cas particuliers de similarité aéraulique. Un rapport d'échelle est défini comme le rapport des grandeurs de référence à échelle réduite et à pleine échelle (équation II. 11).
Validation numérique et expérimentale
- Validation numérique
- Comparaison entre les résultats adimensionnels et les résultats du code
- Comparaison entre les résultats obtenus à échelle réelle et à échelle réduite
- Validation expérimentale
- Dispositif expérimental
- Validation expérimentale en régime permanent
- Validation expérimentale en régime transitoire
- Synthèse de la validation de la similitude aéraulique
A noter que pour une variation de température inférieure à 0,1% les résultats obtenus entre les deux échelles avec le code SYLVIA restent très proches. Les gaines du modèle de référence sont équipées d'un registre de type IRIS. De la même manière qu'avec la validation numérique, les pressions dans les locaux et les débits dans les gaines sont comparés entre l'échelle de référence et l'échelle réduite.
La validation de la similarité aérienne définie dans la section II.3.3 a été présentée dans les sections II.4.1 et II.4.2.
Conclusion
DIMENSIONNEMENT ET CARACTERISATION DU
Introduction
L'application de la méthodologie de dimensionnement des réseaux de ventilation développée au chapitre II permet de dimensionner un modèle à échelle réduite pour chaque configuration. Une caractérisation des différents éléments qui composent les modèles est alors nécessaire pour vérifier la taille des modèles et la modélisation de ces éléments avec le code SYLVIA. Ce chapitre présente d'abord les configurations de référence à l'échelle réelle, puis la taille des modèles à échelle réduite.
Enfin, la caractérisation expérimentale des modèles et la détermination des configurations nominales sont détaillées respectivement dans les sections III.5 et III.6.
Présentation des configurations de référence à échelle réelle
Le réseau de ventilation pour chaque configuration est divisé en trois réseaux de ventilation : un réseau de soufflantes pour les quatre pièces, un réseau d'évacuation d'ambiance pour les pièces A et B et un réseau d'évacuation de procédés pour les pièces C et D. À cela s'ajoute le réseau de ventilation. équipé d'un ventilateur d'alimentation et de deux ventilateurs d'extraction. Une vingtaine de conduits de ventilation sont nécessaires pour relier ces différents éléments (pièces, filtres, ventilateurs).
La méthodologie de dimensionnement du réseau de ventilation appliquée à ces deux configurations permet alors de dimensionner deux modèles à échelle réduite.
Dimensionnement des maquettes à échelle réduite
Pour les mêmes raisons de taille des locaux, l'emplacement des locaux de configuration II ne peut pas être sauvegardé. Les chambres emboîtées (B, C et D) dans la chambre A sont ensuite placées sous le plancher de la soufflerie. Le choix des longueurs est d'autant plus limité que le réseau de ventilation et les chambres interconnectées pour la configuration II (chambres B, C et D) doivent être placés sous le plancher surélevé de la soufflerie.
Cette hotte aspirante a été définie de telle manière que les pertes de charge de la cheminée soient réduites au minimum (Idel'cik, 1999).
Instrumentation et protocoles expérimentaux
- Instrumentation et protocole expérimental pour les essais aérauliques
- Mesure de pression
- Protocole de post-traitement pour les essais aérauliques
- Instrumentation et protocole pour les essais de traçage gazeux
En général, une estimation de l'incertitude de pression de 0,1 % de la valeur maximale du capteur est couramment utilisée. Cependant, lors des campagnes expérimentales, les capteurs de pression ont été recalibrés avec un intervalle de confiance de l'ordre de ±1 Pa. A noter que d'autres capteurs de pression présentés dans la section III.5 ont été utilisés pour caractériser le comportement de l'air des ventilateurs et des fuites.
Les membranes utilisées pour la mesure de débit sont des membranes avec prises de pression sur la bride (norme AFNOR NFX.
Caractérisation des maquettes
- Comportement aéraulique des ventilateurs
- Caractérisation des lois débit-pression des fuites
- Caractérisation des lois débit-pression des filtres et des conduits de ventilation 106
- Détermination expérimentale
- Définition numérique
Le protocole défini pour la réalisation des essais aérodynamiques, présenté au paragraphe III.4.1.3, a été suivi. Le protocole expérimental défini pour la réalisation des essais aérodynamiques (Section III.4.1.3) a été utilisé pour déterminer les configurations expérimentales au régime nominal. Ainsi, à partir des diagrammes schématiques présentés dans les figures III.22 et III.23, les configurations numériques nominales de SYLVIA sont déterminées.
Enfin, pour la modélisation du comportement aérulique des ventilateurs, les courbes expérimentales de fonctionnement définies dans la section III.5.1 sont utilisées comme données d'entrée.
Conclusion
Les résultats de la configuration I, obtenus avec le réseau de ventilation en fonctionnement puis interrompu, sont présentés pour trois vitesses de vent (21, 29 et 36 m/s) et huit incidences de vent (de 0 à 315° pour pas 45°). Les taux de fuite obtenus avec le réseau de ventilation en fonctionnement sont présentés sur la Figure IV. Les valeurs moyennes des pressions et des débits ont été analysées en fonction de la vitesse et de l'incidence du vent, pour les configurations I et II avec le réseau de ventilation en fonctionnement puis arrêté.
Premièrement, l'impact de la turbulence du vent sur les taux de ruissellement a été évalué.
ANALYSE DES RESULTATS EXPERIMENTAUX ET
Introduction
Les campagnes expérimentales ont été réalisées sur les configurations I et II, définies au chapitre III, au sein de la veine grande vitesse de la soufflerie climatique Jules Verne du CSTB. Tout d'abord, les essais réalisés en soufflerie permettent de caractériser l'écoulement permanent au sein des configurations I et II, en termes de niveaux de pression et de débits, en fonction de l'occurrence et de la vitesse du vent. Dans un premier temps, l'étude transitoire consiste à analyser l'influence de la turbulence du vent, pour un vent moyen stationnaire, sur l'écoulement interne.
Ces expériences ont été réalisées en configuration I, soumises aux effets couplés ou découplés du vent, de la ventilation mécanique et de la surpression interne.
Résultats aérauliques en régime permanent
- Analyse physique des résultats expérimentaux de la configuration I
- Influence du vent avec le réseau de ventilation en fonctionnement
- Influence du vent avec le réseau de ventilation à l’arrêt
- Analyse physique des résultats expérimentaux de la configuration II
- Influence du vent avec le réseau de ventilation en fonctionnement
- Influence du vent avec le réseau de ventilation à l’arrêt
- Comparaison entre les résultats expérimentaux et numériques
- Réseau de ventilation en fonctionnement
- Réseau de ventilation à l’arrêt
Les valeurs des débits de ventilation avec le réseau de ventilation arrêté sont logiquement inférieures. Les graphiques ressemblent à ceux obtenus avec le réseau de ventilation en fonctionnement (voir Figure IV. 3). La pression intérieure des locaux et les débits de ventilation obtenus avec le réseau de ventilation en fonctionnement et à l'arrêt sont présentés en annexe 5.
Les inversions de flux de fuite constatées sont identiques à celles obtenues avec le réseau de ventilation en fonctionnement.
Résultats aérauliques en régime transitoire
- Influence de la turbulence du vent
- Analyse physique
- Comparaison numérique
- Analyse expérimentale et numérique des perturbations de pression transitoires 151
- Dégagement d’une surpression interne
La figure 17 montre les pourcentages de temps d'inversion du courant de fuite en fonction du débit moyen obtenu pour la configuration I avec le réseau de ventilation en fonctionnement. 17 : Pourcentage du temps d'inversion des débits de fuite instantanés en fonction du débit moyen (réseau de ventilation en fonctionnement, configuration I). 18 : Pourcentage du temps d'inversion des débits de fuite instantanés en fonction du débit moyen (réseau de ventilation en fonctionnement, configuration II).
19 : Pourcentage du temps d'inversion des débits de fuite instantanés en fonction du débit moyen (réseau de ventilation arrêté, configuration II).
3.2.2.1 Réseau de ventilation en fonctionnement
Cette approche pourrait être utilisée pour identifier plus précisément l'origine des écarts obtenus en régime permanent, notamment lorsque le réseau de ventilation est à l'arrêt (Figure IV. 28 : Comparaison entre les débits de fuite numériques et expérimentaux (surpression interne dans la chambre D, réseau de ventilation en fonctionnement, sans vent, configuration II).29 présente les taux de fuite pour une surpression interne d'environ 2000 Pa générée dans la salle D, avec le réseau de ventilation en fonctionnement et une vitesse de vent de 35 m/s (incidence du vent de 0°) .
Figure 29 : Comparaison entre taux de fuite numériques et expérimentaux (surpression interne dans la salle D, réseau de ventilation en fonctionnement, vitesse du vent de 35 m/s, incidence du vent de 0°, configuration II).
3.2.2.2 Réseau de ventilation à l’arrêt
- Analyse de l'influence de l'inertie
- Etude paramétrique sur des configurations simples
31 soulignent l'influence de l'inertie des branches lorsque la dynamique d'écoulement est rapide. La dynamique du pic de pression est plus rapide lorsque l’on prend en compte l’inertie des branches. Les résultats expérimentaux et numériques obtenus avec le réseau de ventilation arrêté sont donc proches les uns des autres lorsque l'on prend en compte l'inertie des branches dans les simulations.
La section IV.3.3 propose une analyse complémentaire de l'effet de l'inertie des branches sur la présence ou l'absence de ces oscillations.
3.3.1.1 Théorie
La fréquence d'oscillation est définie en fonction de la pulsation naturelle par la relation suivante. Ainsi, lorsque le coefficient d'amortissement est très inférieur à 1, la fréquence d'oscillation dépend uniquement de la pulsation naturelle non amortie (équation IV. 2). La fréquence est alors proportionnelle à l'inverse de la racine carrée de l'inertie des branches et du volume du bâtiment.
L'indépendance de la fréquence d'oscillation par rapport à la résistance de l'air n'est valable que dans le cas où le coefficient d'amortissement est très inférieur à 1.
3.3.1.2 Etude paramétrique
- Résultats numériques pour une configuration de référence
- Résultats du traçage gazeux
- Résultats en régime permanent
Ces deux comportements ont été observés expérimentalement en configuration II avec le réseau de ventilation respectivement désactivé et fonctionnel. Dans le cas où le réseau de ventilation est en fonctionnement, le pic de pression n'a pas été observé expérimentalement. La répartition d'un polluant au sein d'un réseau de ventilation a été étudiée en soufflerie de configuration I.
Des tests au gaz traceur ont été réalisés, pour différentes conditions de vent, en considérant une injection d'hélium à l'entrée du réseau de ventilation.
4.1.1.1 Injection sous la forme d'un créneau
La réponse impulsionnelle des spectromètres est caractérisée par une constante de temps et un temps de retard. Ce dernier correspond au temps de transport de l'hélium depuis la sonde de prélèvement jusqu'au spectromètre. 42 : Temps de décalage entre les concentrations expérimentales et numériques lors de l'extraction du compartiment B, pour trois débits de soufflage du compartiment B.
Ensuite, la limitation de la similarité du transport des polluants a été soulignée dans le cas où le temps de transport dans l'eau n'est pas négligeable.
4.1.1.2 Injection sous la forme d'un pic
- Caractérisation des temps de transport
- Résultats en régime transitoire
- Conclusion
Les temps de transport d'un polluant au sein d'un réseau de ventilation ne peuvent donc pas être déterminés avec le code SYLVIA. 44 : Transport total et temps de transport dans les gaines en fonction des débits de soufflage du bâtiment à échelle réduite. Dans toutes les expériences réalisées, le temps de transport dans les locaux est déterminant en comparaison.
Pour les cas traités dans ce travail, le temps de transport dans les locaux est prédominant.
