Tests thermiques

Cette étude est un extrait de l’étude du comportement thermique de la partie hublot de la plate-forme IAOOS.

Titre : simulations thermiques focalisées sur la partie hublot de la plate-forme IAOOS

Etude réalisée par Dr Chrisophe Berthod.

CNRS – DT-INSU

Janvier 2012

[…] Le comportement thermique de la plate-forme IAOOS (Ice, Atmosphere, Arctic Ocean Observing System) a fait l’objet d’une étude préliminaire. Elle a permis de révéler certains aspects essentiels sur les échanges de chaleur lors de différents épisodes climatiques subis par la bouée et l’enceinte cylindrique qui abrite le module de mesure atmosphérique. En particulier, on a souligné l’importance du contact entre le tube en aluminium et l’eau de l’océan arctique à -2 °C pendant les périodes hivernales. […]

 1/ Dans une première phase de simulations, on va comparer deux solutions possibles pour la conception du hublot.

 2/ Dans une seconde phase de simulations, avec couplage entre thermique et mécanique des fluides, on va explorer l’influence de l’écoulement d’air.

Etude de la propagation de chaleur dans le tube et le hublot

La figure ci-contre représente en coupe la partie de l’enceinte (environ 900 mm de hauteur, c-à-d ce qui dépasse du flotteur) qu’on souhaite simuler. Les différentes pièces sont :

·          le tube en aluminium

·          l’isolant thermique

·          la pièce de support des verres,

·          la plaque de verre (en 1 ou 2 exemplaires),

·          et une bague en titane entre les 2 verres.

 Extrait des Résultats

[…]Dans l’environnement ambiant à -40°C, l’avantage que l’on a lorsqu’il n’y a qu’un seul verre au hublot est que la température atteinte au centre de ce verre est plus élevée de plusieurs degrés. Le tube en aluminium, par l’intermédiaire aussi du support en PTFE, lui cède plus de chaleur et se refroidit plus vite, le gradient y est plus visible. Inversement, lorsque le hublot est double vitrage, l’isolement thermique de l’enceinte aluminium est bien meilleur. La température au centre du verre extérieur est alors plus proche du froid ambiant[…].

Etude de l’écoulement d’air et de la convection forcée

[…]On souhaite maintenant estimer la perte thermique par le phénomène de convection forcée due à la circulation du vent. Pour étudier ce problème, on place la forme géométrique de la partie émergée de la plate-forme IAOOS dans un espace plus grand, comme dans une soufflerie. L’orientation la plus défavorable est choisie : l’air souffle sur le verre du hublot (direction -X sur les figures suivantes).[…]

Extrait des Résultats

[…] Lorsqu’on compare les températures de l’enceinte et du verre dans les cas sans vent et avec vent, il faut voir le cas sans vent comme la référence […] qui ne prend en compte l’échange vers l’air ambiant que par convection libre. Si la vitesse du vent devient 30 m/s, l’échange vers l’air ambiant par convection forcée est tel que les surfaces extérieures de l’enceinte et du verre affichent une température proche de celle de l’air (environ 19,7 ou 19,8°C). Ceci est bien sûr indépendant du choix d’un hublot à simple ou double vitrage, mais a forcément une influence sur l’intérieur du module atmosphère de IAOOS qui se refroidit car le gradient de température s’étire encore entre l’hypothétique eau à -2°C et l’air ambiant. […]

Etude de l’écoulement d’air et de la convection forcée: Variante avec pare-vent

[…]En plus de simuler l’impact de la convection due à un vent froid, une variante de l’enceinte atmosphérique est ensuite soumise au même écoulement. Elle comporte un pare-vent en forme de chapeau de cheminée, constitué d’une partie cylindrique et d’une partie conique. Les fixations au hublot sont ignorées. […]

Extrait des Résultats

[…]Si on examine les vecteurs vitesses du fluide  dans les cas sans et avec pare-vent, on remarque une grande similitude, du flotteur jusqu’à 2/3 de la hauteur du tube : la circulation contourne le tube en accélérant. Mais dans la partie haute, tout est changé, on aperçoit les mouvements d’air turbulents à l’intérieur du pare-vent.

Une partie de l’air entre par le bas du chapeau et ressort par le haut, sous l’effet de la dépression causée par le mouvement accéléré autour du cône. Il est donc légitime de se demander si ce pare-vent protège du dépôt de congères sur le verre : à l’étude de la circulation d’air, on peut dire oui, mais on doit nuancer car le flocon de neige est une grosse particule collante, le test réel doit trancher. […]