Couplages STD/CFD pour la ventilation naturelle

1. Pourquoi ?

Dans les logiciels de STD, les coefficients de pression sont généralement donnés par des corrélations en fonction de l’angle d’incidence et de la forme du bâtiment [Swami & Chandra 1988] ou des valeurs tabulées qui s’avèrent inadaptées à la plupart des situations réelles : à titre d’exemple, la Figure 1 ci-dessous montre les valeurs utilisées par certains logiciels de STD pour déterminer le C_p .

Figure 1 : Tables de coefficients de pression utilisées par défaut dans DesignBuilder/EnergyPlus (gauche : champ libre, droite : en environnement avec des obstructions de taille équivalente à la moitié du bâtiment considéré)

Les débits en ventilation naturelle calculés sont donc très susceptibles d’être erronés s’ils sont estimés à partir des valeurs par défaut (voir aussi notre article sur la réduction des incertitudes en ventilation naturelle).

2. Comment on fait ?

Il faut commencer par récupérer les coefficients de pression par façade de la simulation, qui varient selon l’orientation du vent et sa force (une illustration est donnée sur la Figure 2). On doit ensuite affecter chaque coefficient de pression au bon élément de façade.

Figure 2 : Pressions sur les façades pour une direction de vent.

Pour ce faire on parcourt le fichier de définition du problème de STD et on effectue le remplacement pour chaque ouvrant et chaque paroi, notamment afin de pouvoir calculer les débits liés aux infiltrations, comme indiqué sur le synoptique de fonctionnement en Figure 3.

Figure 3 : Synoptique de couplage entre outils pour l’obtention des coefficients de pression en façade.

Cette approche a deux avantages principaux :

  • Par rapport à l’injection directe du débit calculé par CFD, ceci permet de conserver les effets de tirage thermique liés à la différence de température entre intérieur et extérieur.
  • Le nombre de coefficients de pression par direction de vent s’en trouve augmenté : par défaut ils sont donnés tous les 45 degrés, tandis que nous en prenons au maximum tous les 30°.

La question se pose alors de savoir combien de directions de vent il est utile de simuler afin d’affiner la prédiction du tirage par ventilation naturelle : c’est l’objet de la section suivante.

3. Influence de la discrétisation angulaire

La figure 4 qui suit présente le taux de renouvellement d’air lié à la ventilation naturelle dans un hall de gare très vitré. On y relève plusieurs courbes qui correspondent au nombre de directions de vent pour le calcul des coefficients de pression : ainsi « 4 directions » signifie une simulation tous les 90°, tandis que « 24 directions » équivaut à une simulation tous les 15° le long de la rose des vents.

Figure 4 : Comparaison des taux de ventilation naturelle pour un cas test en fonction du nombre de directions de vents (n = 4, 8, 12, 24) utilisées pour déterminer les coefficients de pression.

On constate qu’à partir de 8 directions (soit \Delta\theta=45°), l’écart entre courbes diminue. L’écart entre 12 et 24 simulations semble relativement faible et pousserait dans le cas présent à réaliser 12  simulations uniquement. [Suite quantitative de l’analyse à venir]