Le thermosiphon vertical à grands nombres de Rayleigh, principes et caractérisation expérimentale. Didier SAURY 1,* , Nicolas ROUGER 1 , Francis DJANNA 1 , François PENOT 1 1 LET, ENSMA, UMR CNRS 6608, Avenue C. Ader, BP 40109, 86961 Futuroscope Cedex. * (auteur correspondant : didier.saury@let.ensma.fr ) Résumé - Dans le cadre de cet article on rappelle quelles sont les deux catégories de thermosiphon et les bilans énergétiques qui régissent leur fonctionnement. En particulier pour les thermosiphons de 2 ème espèce (pour lesquels la condition d’équilibre mécanique n’est pas vérifiée), on met en avant l’influence importante des pertes de charge du circuit aéraulique suivant le fonctionnement à température ou à densité de flux imposé. Des mesures de vitesse et de température ont été effectuées pour différents niveaux d’obstruction des cheminées. On valide ainsi les hypothèses faites sur les débits circulants et sur l’apparition possible d’écoulements de retour dans les sections de sortie. Nomenclature B Force de poussée d’Archimède V Q Vitesse débitante, m.s -1 c p Chaleur spécifique de l’air, kJ.kg -1 .K -1 g Gravité Symboles grecs H Hauteur de la cheminée (= 4 m) α Coefficient de perte de charge singulière k Coefficient de pertes de charge linéaire β Coefficient de dilatation, K -1 P, p Pression, Pa ρ masse volumique, kg.m -3 Q paroi Flux de chaleur, W Indices et exposants S Surface, m² 0 Etat d’équilibre ou de référence s Section, m² adim adimensionné T Température, °C c chaud v Vitesse du fluide, m.s -1 m mélange V CN Vitesse de convection naturelle, m.s -1 p paroi 1. Introduction Le thermosiphon est un circuit aéraulique de transport convectif de chaleur dans lequel s’établit un écoulement naturel sous l’effet des forces d’Archimède dues aux variations de masse volumique du fluide. Ces forces génératrices de mouvement sont, en général, localisées dans une partie du circuit aéraulique qui peut être fermé ou ouvert. C’est ce dernier cas qui est considéré ici à travers un exemple simple : le canal plan ouvert. Qu’il soit vertical ou incliné, son fonctionnement reste encore mal connu dans ses principes qui méritent d’être rappelés ici, les applications (notamment le bâtiment et les énergies renouvelables), lui conférant un certain regain d’intérêt. Pour cette étude, 2 cheminées verticales identiques et indépendantes dans leur fonctionnement ont été réalisées. Des mesures de vitesse et de température ont été effectuées dans l’entrée de l’une d’elle (cheminée froide) et la sortie de l’autre (cheminée chaude) pour différents niveaux d’obstruction de l’entrée. On valide ainsi les hypothèses faites sur les débits mis en circulation et sur l’apparition possible d’écoulements de retour dans les sections de sortie. 2. Principe du thermosiphon La poussée d’Archimède naît de la rupture de l’équilibre hydrostatique entre les forces de pression et le poids d’un volume de fluide. Cette rupture est engendrée par la variation de masse volumique d’un volume de fluide. A l’équilibre, on peut écrire : ρ 0 g = ∇p 0 (1)