Étude des échanges thermiques convectifs en paroi d’un ballon scientifique stratosphérique de type Montgolfière Infrarouge

Other literature type French OPEN
Bruce, Romain (2011)
  • Subject: Convection naturelle | Panache turbulent | Mesures PIV | Mesures thermocouple | Modélisation numérique | Montgolfière Infrarouge | 621.042

La Montgolfière Infrarouge (MIR), de 40 mètres de diamètre et développée par le CNES, capte le rayonnement infrarouge terrestre pour chauffer l'air à l'intérieur du ballon et le maintenir à des altitudes élevées (30km le jour et 20km la nuit). Cette étude vise à déterminer le coefficient de convection naturelle externe dans des conditions expérimentales proches de celles rencontrées par la MIR lors de son vol (10¹¹ < Ra < 10¹², distribution de température inhomogène, condition d'environnement infini). Dans ce but, une maquette de la MIR, à l’échelle 1/100ème et constituée de films chauffants, est placée dans une enceinte remplie d'air (2x10⁸ < Ra < 4x10⁸). Une instrumentation PIV (Particle Image Velocimetry) permet de caractériser l’écoulement dans un plan 2D autour de la maquette et des thermocouples, placés sur la maquette et dans l'enceinte, mesurent la température. Ce banc expérimental permet de calculer le nombre de Nusselt local sur la maquette pour différentes distributions de température. Une simulation numérique, dont les résultats sont validés par rapport à l'expérience, vient compléter l'étude du nombre de Nusselt local pour des nombres de Rayleigh plus importants (10¹⁰ < Ra < 2x10¹⁰), plus proches des conditions réelles. The Infrared Balloon (40 m diameter balloon developed by the CNES) captures the infrared radiation to heat up the internal air for long-duration high-altitude flight (30km during day and 20km during night). The aim of this study is to define the external natural convection coefficient that appears on the skin of the IR balloon during its stratospheric flight (10¹¹ < Ra < 10¹², non isothermal heating, infinite atmosphere). An experimental study has been done with a model of IR balloon (100 times smaller than the balloon and covered with flexible heaters) placed in a cavity filled with air (2x10⁸ < Ra < 4x10⁸). A PIV (Particle Image Velocimetry) system characterizes the flow in a 2D plan around the model and thermocouples, placed on the model and in the cavity, measure the temperature. Thanks to this experiment, the local Nusselt number can be calculated on the model for different temperature distributions. Furthermore, a numerical study has been realized to simulate the experiment. Its aim is to analyze, in a second place, the behavior of the local Nusselt number for higher Rayleigh numbers (10¹⁰ < Ra < 2x10¹⁰).
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