La thèse traite de la simulation numérique de jets d’air lobés pour l’optimisation des Unités Terminales de Diffusion de l’Air pour le bâtiment. Il est présenté tout d’abord une analyse bibliographique exhaustive sur les jets d’air et sur les moyens passifs de leur contrôle. Vient ensuite un exposé des principes de la modélisation des écoulements turbulents. Sur la base des précédents éléments, nous abordons la phase de simulation et d’analyse de jets d’air lobés en trois parties. La première partie traite de la simulation d’un jet d’air libre à très faible nombre de Reynolds (Reynolds 800) en régime instationnaire. Dans cette étude, nous avons présenté plusieurs cas tests de simulation d’un jet d’orifice en forme de croix que nous avons confrontés à des résultats expérimentaux. Du point de vue quantitatif, la simulation du quart du jet a permis d’obtenir des caractéristiques globales assez satisfaisantes. Pour détecter d’une façon significative l’instationnarité du jet, il a été nécessaire de simuler la totalité du jet, mais ceci a été fait au détriment du nombre de mailles dans le domaine de calcul, ce qui conduit par conséquent à des résultats quantitativement inappropriés. La deuxième partie simule le même jet d’air mais en régime turbulent (Reynolds 3000). Sept modèles de turbulence ont été confrontés à des résultats expérimentaux. Nous montrons la pertinence du modèle RSM (Reynolds Stress Model) pour la prédiction de l’écoulement. La dernière partie est dédiée à la simulation de jets d’air turbulents en interaction. Cette partie se décline en trois études successives et complémentaires. La première a pour objet de rechercher le modèle de turbulence le plus pertinent capable de reproduire les phénomènes et les grandeurs utiles à l’application visée. La conclusion est qu’aucun des modèles de turbulence évalués n’est capable de prédire l’ensemble des caractéristiques dynamiques de l’écoulement de jets lobés en interaction. Cependant, parmi ces modèles, SST apparait nettement supérieur dans la prédiction de l’interaction des jets, de l’expansion dynamique globale et de l’entrainement de l’air ambiant lorsque l’écoulement est résolu à travers le diffuseur lobé. Sur la base des grandeurs dynamiques pertinentes identifiées et dont la prédiction par le modèle SST est jugée satisfaisante, nous entreprenons dans la suite une analyse de l’influence de la géométrie du lobe sur la capacité d’induction de l’écoulement. Un lobe de forme arrondie est alors trouvé plus avantageux qu’un lobe à angles droits. Enfin, la dernière étude s’intéresse à l’effet de la disposition et de l’espacement des orifices lobés sur les grandeurs globales de l’écoulement. Une solution géométrique permettant l’augmentation de la transparence de l’Unité Terminale de Diffusion de l’Air lobée est alors proposée. Elle devra être testée expérimentalement en conditions réelles, dans la cellule test échelle 1 thermiquement gardée nouvellement construite au LEPTIAB. / The thesis deals with the numerical simulation of lobed air jets for the optimization of Air Diffusion Terminal Units for buildings. First is presented a comprehensive literature review of the air jets and of the passive means of flow control. The manuscript continues with the principles of modeling of turbulent flows. Based on the previous considerations, we discuss the simulation and analysis of the air lobed jets following three parts. The first part deals with the simulation of an air jet at very low Reynolds number (Reynolds 800) in the unsteady regime. In this study, we presented several test cases of simulation for a cross-shaped orifice jet that we have confronted with experimental results. From the quantitative point of view, the simulation of a quarter of the jet’s section has yielded reasonably good results for the global characteristics of the flow. In order to detect in a significant way the unsteadiness of the jet, it was necessary to simulate the entire jet, but this was done at the expense of the number of cells in the computational domain, which consequently leaded to inappropriate quantitative results. In the second part we simulated the same air flow but in the turbulent regime (Reynolds 3000). Seven turbulence models have been confronted with experimental results. We show the relevance of the RSM turbulence model (Reynolds Stress Model) for predicting the flow.The last part is dedicated to the simulation of turbulent air jet in interaction. This part is divided into three successive and complementary studies. The first one was dedicated to find which turbulence model can reproduce most relevant phenomena and variables to the concerned application. The conclusion is that none of the turbulence models was able to predict all the dynamic features of the lobed jet flows in interaction. However, of these models, SST appears to be significantly better for the prediction of the interaction of the jets, the global dynamical expansion and the entrainment of the ambient air when the flow is numerically resolved through the lobed diffuser. On the basis of relevant dynamic quantities well predicted by the SST turbulence model, we undertake in the following part an analysis of the influence of the geometry of the lobe on the ability of the flow to entrain. A rounded lobe is then found to be more advantageous than a lobe with right angles. The final study examines the effect of the arrangement and spacing of the lobed orifices on the global quantities of the flow. A geometric solution allowing to increase the transparency of the lobed Air Diffusion Terminal Unit is then proposed. This solution should be tested experimentally in real conditions, in the new full scale model room constructed at LEPTIAB.

La thèse traite de la simulation numérique de jets d'air lobés pour l'optimisation des Unités Terminales de Diffusion de l'Air pour le bâtiment. Il est présenté tout d'abord une analyse bibliographique exhaustive sur les jets d'air et sur les moyens passifs de leur contrôle. Vient ensuite un exposé des principes de la modélisation des écoulements turbulents. Sur la base des précédents éléments, nous abordons la phase de simulation et d'analyse de jets d'air lobés en trois parties. La première partie traite de la simulation d'un jet d'air libre à très faible nombre de Reynolds (Reynolds 800) en régime instationnaire. Dans cette étude, nous avons présenté plusieurs cas tests de simulation d'un jet d'orifice en forme de croix que nous avons confrontés à des résultats expérimentaux. Du point de vue quantitatif, la simulation du quart du jet a permis d'obtenir des caractéristiques globales assez satisfaisantes. Pour détecter d'une façon significative l'instationnarité du jet, il a été nécessaire de simuler la totalité du jet, mais ceci a été fait au détriment du nombre de mailles dans le domaine de calcul, ce qui conduit par conséquent à des résultats quantitativement inappropriés. La deuxième partie simule le même jet d'air mais en régime turbulent (Reynolds 3000). Sept modèles de turbulence ont été confrontés à des résultats expérimentaux. Nous montrons la pertinence du modèle RSM (Reynolds Stress Model) pour la prédiction de l'écoulement. La dernière partie est dédiée à la simulation de jets d'air turbulents en interaction. Cette partie se décline en trois études successives et complémentaires. La première a pour objet de rechercher le modèle de turbulence le plus pertinent capable de reproduire les phénomènes et les grandeurs utiles à l'application visée. La conclusion est qu'aucun des modèles de turbulence évalués n'est capable de prédire l'ensemble des caractéristiques dynamiques de l'écoulement de jets lobés en interaction. Cependant, parmi ces modèles, SST apparait nettement supérieur dans la prédiction de l'interaction des jets, de l'expansion dynamique globale et de l'entrainement de l'air ambiant lorsque l'écoulement est résolu à travers le diffuseur lobé. Sur la base des grandeurs dynamiques pertinentes identifiées et dont la prédiction par le modèle SST est jugée satisfaisante, nous entreprenons dans la suite une analyse de l'influence de la géométrie du lobe sur la capacité d'induction de l'écoulement. Un lobe de forme arrondie est alors trouvé plus avantageux qu'un lobe à angles droits. Enfin, la dernière étude s'intéresse à l'effet de la disposition et de l'espacement des orifices lobés sur les grandeurs globales de l'écoulement. Une solution géométrique permettant l'augmentation de la transparence de l'Unité Terminale de Diffusion de l'Air lobée est alors proposée. Elle devra être testée expérimentalement en conditions réelles, dans la cellule test échelle 1 thermiquement gardée nouvellement construite au LEPTIAB.

La réussite du développement de vols spatiaux de longue durée, ainsi que de l'établissement de stations permanentes nécessite des systèmes fermés autonomes bien contrôlés. L'optimisation d'une boucle fermée d'un système support vie bio-régénératif, impose le contrôle de l'hydrodynamique et des transferts de chaleur et de masse couplés qui se développent au sein d'un habitacle spatial comprenant des hommes ou des plantes. Un protocole expérimental (expérience terrestre et méthode de mesure) a été conçu pour quantifier les vitesses de l'air et les transferts hétérogènes qui se développent par condensation d'air humide sur une surface plate horizontale de petite taille (25 cm2), en conditions contrôlées (régime d'écoulement, hygrométrie, température). Une surface active était maintenue isotherme sous le point de rosée par thermoélectricité et le flux de masse était mesuré par pesée. Un tunnel climatique a été utilisé pour générer des écoulements laminaires ou faiblement turbulents. Environ 70 expériences de condensation ont été réalisées à température ambiante (19-23°C) avec une humidité relative de 35-65 % et pour des vitesses comprises entre 1.0 et 3.0 m/s. Le dispositif de condensation a un comportement de type profil épais pour l'écoulement et les coefficients de transferts de masse ont été évalués. L'augmentation de l'intensité de l'écoulement se traduit par une dépendance du nombre de Sherwood en Re2/3. Une relation empirique est proposée pour estimer la température de la surface. Le comportement de l'écoulement au sein de la couche limite et de la croissance des gouttes sur la surface de la plaque sont discutées. Ce travail expérimental sera utile pour le développement de modèles théoriques adaptés à d'autres géométries.

La réussite du développement de vols spatiaux de longue durée, ainsi que de l’établissement de stations permanentes nécessite des systèmes fermés autonomes bien contrôlés. L’optimisation d’une boucle fermée d’un système support vie bio-régénératif, impose le contrôle de l’hydrodynamique et des transferts de chaleur et de masse couplés qui se développent au sein d’un habitacle spatial comprenant des hommes ou des plantes. Un protocole expérimental (expérience terrestre et méthode de mesure) a été conçu pour quantifier les vitesses de l’air et les transferts hétérogènes qui se développent par condensation d’air humide sur une surface plate horizontale de petite taille (25 cm2), en conditions contrôlées (régime d’écoulement, hygrométrie, température). Une surface active était maintenue isotherme sous le point de rosée par thermoélectricité et le flux de masse était mesuré par pesée. Un tunnel climatique a été utilisé pour générer des écoulements laminaires ou faiblement turbulents. Environ 70 expériences de condensation ont été réalisées à température ambiante (19-23°C) avec une humidité relative de 35-65 % et pour des vitesses comprises entre 1.0 et 3.0 m/s. Le dispositif de condensation a un comportement de type profil épais pour l’écoulement et les coefficients de transferts de masse ont été évalués. L’augmentation de l’intensité de l’écoulement se traduit par une dépendance du nombre de Sherwood en Re2/3. Une relation empirique est proposée pour estimer la température de la surface. Le comportement de l’écoulement au sein de la couche limite et de la croissance des gouttes sur la surface de la plaque sont discutées. Ce travail expérimental sera utile pour le développement de modèles théoriques adaptés à d’autres géométries. / For the development of successful long term space flights, and the establishment of permanent bases in space, a well controlled self sustained closed environment is required. In order to optimize a closed-loop bio-regenerative life support system, it is necessary to control the hydrodynamics and the coupled heat and mass transfer, which develop in a space habitat concerned with humans and plants. We have designed a ground based experimental setup and protocol to measure the air flow velocities and concomitant mass transfer by condensation of water vapour from humid air on a horizontal flat plate of small size (area 25 cm2), in a controlled air flow conditions (flow regime, hygrometry, temperature). An active isothermal surface was kept below the dew point, by using thermoelectricity, and precise weighing of the condensate in order to evaluate the rate of mass flux. An air-conditioned closed circuit wind tunnel has been used to produce laminar to weakly turbulent flows. Almost 70 condensation experiments have been performed at an ambient temperature (19-23 °C) for a relative humidity between 35-65 %, and for the velocity range 1.0-3.0 m/s. The condensing unit behaves as a blunt-faced body and mass transfer coefficients were deduced. When increasing the flow intensity it was found that the Sherwood number had a dependence on Re2/3. An empirical relation was proposed to estimate the surface temperature. The flow behaviour within the boundary layer and the analysis of the drop growth on the flat plate surface under weakly turbulent flows has been discussed. This experimental work will be helpful to develop theoretical models for further studies with other geometries.