Dans les écoulements de convection naturelle en canal, de nombreuses structures cohérentes se développent. Leur rôle dans les transferts de masse et de chaleurs reste aujourd’hui mal connu. Des études numériques basées sur des Simulations aux Grandes Echelles d’un canal vertical dont un des côtés est chauffé uniformément à flux constant ont donc été entreprises. Différentes étapes de la transition laminaire-turbulente sont identifiées et deux bandes de fréquences sont observées en proche paroi chauffée. Une méthode, basée sur la Proper Orthogonal Decomposition (POD), a aussi été utilisée et a permis une très nette séparation spatio-temporelle des modes les plus énergétiques de l’écoulement en fonction des fréquences précédemment identifiées. Il devient donc possible d’étudier la contribution de ces modes à l’écoulement. Une analyse POD des champs de vitesses expérimentaux permet l’identification de similarités avec les structures observées numériquement.Les variations du gradient de température extérieur au canal, ont été identifiées comme l’une des sources de ces différences et ont fait l’objet d’études expérimentales et numériques. Il est montré qu’un augmentation du gradient positif de température diminue le débit mais aussi déplace la transition plus bas dans le canal. Les études numériques permettent également d’étudier le cas de gradients de température faibles ou négatifs, gradients qui sont difficile à obtenir expérimentalement. Un modèle théorique de l’influence de la stratification extérieure sur le débit massique induit est aussi développé. L’accord entre les résultats prédits et les résultats expérimentaux et numériques est excellent. Ce dernier point souligne que la stratification thermique est un facteur clé dans ce type d’écoulement et que son influence est précisément quantifiée dans ce travail / In natural convective flows, complex coherent structures develop whose the role in heat and mass transfer are not well understood. A numerical study, based on Large-Eddy-Simulations of a vertical channel with one side uniformly was therefore carried out. Different stages of transitional flow development were identified numerically with two characteristic frequency bands being observed in the flow, near the heated wall. Methods derived from the Proper Orthogonal Decomposition (POD) was also used and allows the most energetic modes to be separated accordingly to two characteristic frequency bands found numerically. As result, the contribution of the two families of modes to the near wall turbulent heat transfer and velocity-temperature correlation has been evaluated. POD was also performed on experimental measurements showing similarities with the numerically observed structures.In this work, variations of the external thermal stratification have been identified as one possible source of these differences and its influence was therefore investigated experimentally and numerically. It is shown that the increase in the positive gradient of the external stratification not only decreases the mass flow rate but also displaces the transition height to a lower location in the channel. Numerical simulations also allow the study of cases of weak and negative thermal stratifications which are difficult to achieve in laboratories. A theoretical model of the influence of the external thermal stratification on the mass flow rate was also developed. There is an excellent agreement between the theoretical predictions and the experimentally and numerically obtained mass flow rates. This clearly highlights that external temperature distributions are key driving factors and their influence is accurately quantified in this work

La ventilation naturelle est une solution passive de rafraichissement des bâtiments dont la performance est souvent limitée par des contraintes acoustiques et visuelles. Les travaux de cette thèse visent à améliorer la conception des ouvertures vitrées pour intégrer ces multiples contraintes. Des modèles thermo-aéraulique, acoustique et d'éclairement sont intégrés dans une plate-forme de simulation énergétique du bâtiment afin d'évaluer la performance de la ventilation naturelle dans des bâtiments tertiaires et résidentiels en termes de confort global et de consommation énergétique. La thèse contribue en particulier au développement et à la validation de modèles thermo-aérauliques à partir d'essais expérimentaux et de la simulation numérique. Une nouvelle technique de mesure du taux de renouvellement d'air par gaz traceur est développée en conditions de laboratoire puis appliquée dans une campagne d'essais in-situ pour caractériser l'écoulement d'air en ventilation traversante et mono-façade. Des simulations numériques ont été menées pour analyser les écarts observés entre les mesures et les corrélations. A l'aide de la CFD, des géométries d'ouverture spécifiques au cas d'étude (présence de loggia, tailles différentes de fenêtres) sous différentes conditions de vent permettent d'identifier les plages d'application des corrélations. Enfin, des simulations énergétiques du bâtiment intégrant les modèles développés et comparant différents modes de gestion sont effectuées en bâtiment de bureaux et résidentiel. On observe une réduction importante du potentiel de rafraichissement dans un environnement bruyant. Des prototypes de volets acoustiques sont conçus pour assurer un compromis entre confort thermique et acoustique. Des indicateurs applicables à la conception des ouvertures vitrées en fonction de paramètres climatiques sont également proposés. / Natural ventilation is a passive solution to refresh and cool down the buildings whose performance is often limited by acoustic and visual constraints. This thesis aims to improve the design of glazed windows to integrate these multiple constraints. Thermo-aeraulic, acoustic and lighting models are integrated in a platform of building energy simulation to evaluate the performance of natural ventilation in office and residential buildings according to global comfort and energy consumption. The thesis contributes in particular to the development and the validation of thermo-aeraulic models from experiments and numeric simulations. A new technique of air change rate measurement by tracer gas is developed in laboratory conditions and then applied in an in-situ experimental campaign to characterize the airflow in cross and single-sided ventilation. The numeric simulations are conducted to analyze the deviation observed between the measures and correlations. With the help of CFD tool, the specific opening geometries of this case study (loggia, different window sizes) under different wind conditions allow to identify the application range of the correlations.Finally, building energy simulation integrating the developed models comparing different control modes are carried out for two case studies: office and residential buildings. Significant reductions of cooling potential are observed in a noisy environment. To provide a response to the constraints of external noise, prototypes of acoustic shutters are designed to ensure a good compromise between thermal and acoustic comfort. Indicators applicable to the design of glazed openings based on climatic parameters are also proposed.

L'objectif de ce travail de thèse est de développer une méthodologie d'aide à la prise de décisions pour la conception énergétique de bâtiments durables. La méthodologie proposée est composée de : (1) une base de seize indicateurs caractérisant la performance énergétique du bâtiment, couvrant les trois dimensions du concept de la durabilité (aspects environnementaux, économiques et de confort des occupants) et suivant une approche de type cycle de vie ; (2) une méthode d'évaluation de ces indicateurs adaptée au niveau de précision de la connaissance du bâtiment dans les premières phases de projet ; (3) une logique de progression des décisions de conception donnée comme un modèle de répartition séquentielle des choix à effectuer à chaque phase de projet ; et (4) une base de connaissances d'éléments du bâtiment comprenant les données techniques, environnementales et économiques nécessaires pour la méthode d'évaluation. Cette méthodologie est destinée à être utilisée par la maîtrise d'œuvre d'un projet de construction, y compris architectes et bureaux d'études concernés par la performance énergétique, pour la conception de bâtiments de bureaux dans un contexte français. Un outil numérique d'évaluation a été mis en place comme une première application de la méthodologie proposée afin d'étudier ce qu'elle peut apporter au concepteur comme éléments d'aide à la prise de décisions. L'intérêt de la mise en œuvre de la méthodologie a été validé par divers cas d'étude à chaque stade du processus de conception : de la phase d'Esquisse à la phase d'Avant-Projet Détaillé. En particulier, l'intégration d'une façade double peau vitrée, dont l'impact sur la performance du bâtiment est encore peu maîtrisé, a été évaluée. / The aim of this thesis work is the development of a decision-support methodology for the energy design of sustainable buildings. The proposed methodology consists of: (1) a set of sixteen indicators of energy performance, covering the three dimensions of the concept of sustainability (environmental, economic and user comfort aspects) and based on a whole life-cycle approach; (2) a framework for the calculation of these indicators, adapted to the level of knowledge and detail of buildings in the early design phases; (3) a decision making roadmap, proposed as a sequential model for structuring decision making throughout the design process; and (4) a knowledge base of building elements, compiling the necessary technical, environmental and economic data for evaluating energy performance. This methodology is aimed to assist architects and engineers who participate in the energy design of office buildings within a French context. An assessment tool has been developed as a first application of the proposed methodology in order to determine its contribution to the process of decision making. The methodology has been validated through various case studies at each stage of the design process: from the schematic design phase to the detailed design phase. In particular, the integration of a double skin facade, whose impact on building performance is still not fully understood, was assessed.

Notre investigation porte sur la simulation numérique des échanges thermo-convectifs dans un canal vertical ouvert à flux imposé. Cette étude rentre dans le cadre des recherches sur le rafraîchissement passif des composants PV intégrés au bâtiment. À cet effet, un code numérique en Différences Finies est utilisé pour résoudre les équations de Navier-Stokes et simuler la convection naturelle dans un canal. Ce problème reste difficile à résoudre parce que l'écriture des conditions aux limites d'entrée et de sortie reste un problème ouvert. Notre travail consiste d'abord en étude des différentes conditions aux limites pour le benchmark numérique AMETH. Les travaux réalisés ont permis de faire un premier choix sur les conditions aux limites. L'étude s'oriente ensuite sur la qualification et la quantification numériques et expérimentales pour deux fluides : l'air (convection-rayonnement) et l'eau (convection pure). Les résultats numériques/expérimentaux ont été comparés et les discordances ont été analysées. Plusieurs aspects phénoménologiques (rayonnement entre surfaces, variation des propriétés thermo-physiques, variation du nombre de Prandtl) ont été abordés afin de caractériser leurs influences respectives sur l'écoulement et le transfert thermique. Enfin, dans le but d'apporter des éléments de réponses sur les conditions aux limites dynamiques, nous avons simulé la convection naturelle d'un canal dans une cavité et tenté une modélisation. / The present investigation deals with natural convection flow in a vertical open-ended channel with wall constant heat flux. This study falls under the framework of research on passive cooling of building integrated PV components. For this purpose, a numerical code developed with Finite Differences scheme is used to solve Navier-Stokes equations and simulate the natural convection in a channel. This problem is difficult to solve because the writing of inlet/outlet boundary conditions remains an open problem. First, our work consists of studying different boundary conditions for the the numerical benchmark AMETH. The work carried out has enabled a first choice of boundary conditions. The study then focuses on numerical and experimental quantification and qualification for two fluids : air ( convection - radiation) and water ( pure convection) . Experimental and numerical results were compared and discrepancies were analyzed. Several phenomenological aspects ( surface radiation, thermophysical properties variation, Prandtl number variation ) were discussed in order to characterize their influence on flow and heat transfer. Finally, in order to provide some answers on dynamical boundary conditions, we simulated natural convection of a channel inside a cavity and tried a modeling.