Méthode d’analyse du comportement thermo-aéraulique des bâtiments pour la construction des modèles zonaux
Sihem Guernouti - Thèse de doctorat soutenue en 2008
Encadrement : Directeur de thèse Gérard Hégron, encadrante Marjorie Musy
Afin de concevoir des systèmes énergétiques (chauffage, rafraîchissement, ventilation) et de prévoir leurs performances en terme de confort thermique et de qualité de l'air, l'estimation des détails des écoulements et des transferts de chaleur au sein des locaux représente un enjeu important. Les modèles zonaux, qui reposent sur un découpage d'une pièce en un petit nombre de sous-volumes permettent d'appréhender l'hétérogénéité des caractéristiques thermo-aérauliques d'un espace avec des temps de calcul modérés. Ils correspondent à un bon compromis entre simplicité des modèles et volumes d'informations utilisables pour contribuer à la qualification des ambiances. Si de nombreux progrès ont été réalisés pour l'automatisation de la construction des modèles zonaux à partir d'un maillage du volume et du choix des modèles à utiliser, ces deux tâches restent encore à la charge de l'utilisateur alors qu'elles requièrent une bonne connaissance de la modélisation et de l'expérimentation dans le bâtiment. Il reste un travail important à faire pour minimiser l'intervention du modélisateur. La recherche consiste à proposer un générateur automatique de modèles zonaux permettant essentiellement d'affranchir l'utilisateur du choix des modèles des écoulements spécifiques présents dans un local et du partitionnement de ce dernier. L'outil de simulation dynamique baptisé « O-zone » est basé sur une nouvelle approche des modèles zonaux. Cette approche repose sur un partitionnement de la pièce adapté aux écoulements particuliers en présence. La méthode choisie pour le partitionnement est celle des arbres octaux ou Octree. C'est une représentation hiérarchique de l'espace qui repose sur la subdivision successive et récursive d'un cube en huit cubes plus petits. Après un tour d'horizon des différentes méthodes de modélisation déterminant les transferts de masse et de chaleur dans le bâtiment, un bref historique et l'état d'avancement des travaux concernant la méthode zonale retenue pour cette étude est donné ainsi qu'une liste non exhaustive de modèles retenus pour représenter différents phénomènes physiques se produisant au sein d'une pièce. Ces modèles sont issus soit de l'expérimentation soit de simulation de codes de champ. Les principaux phénomènes recensés sont les phénomènes thermo-aérauliques les plus fréquemment rencontrés dans un bâtiment : les panaches thermiques, les jets, les couches limites et les taches solaires. Le générateur automatique « O-Zone » est ensuite exposé. Il est constitué de cinq principaux modules : un outil d'analyse, une base de données, un outil de partitionnement, un outil de simulation et enfin un outil de visualisation. L'outil d'analyse permet d'interpréter les conditions aux limites et de détecter les écoulements particuliers engendrés par ces conditions en se basant sur des règles préalablement établies et des hypothèses qui seront vérifiées après le calcul. Le modèle analytique le plus adapté pour représenter l'écoulement présent est ensuite choisi dans la base de données. Après la phase d'analyse et de choix des modèles à implémenter, un fichier est obtenu contenant les caractéristiques géométriques et physiques des modèles. L'outil de partitionnement proposera alors un maillage dans lequel les octants terminaux ou les feuilles de l'arbre représentent soit des zones spécifiques homogènes contenant un écoulement moteur (jet, panache thermique, couche limite...) soit des zones ordinaires homogènes. A partir de ces informations sera construit le modèle zonal qui associera à ces zones des modèles élémentaires. Le système d'équations construit automatiquement sera résolu dans l'environnement orienté-objet SPARK. Enfin, des résultats de simulations pour différentes configurations d'écoulements dans des pièces sont exposés et comparés à des données expérimentales ou à d'autres résultats de simulation issus d'autres approches.