Résumé
La Montgolfière Infrarouge (MIR), de 40 mètres de diamètre et développée par le CNES, capte le rayonnement infrarouge terrestre dans sa partie haute pour chauffer l'air à l'intérieur du ballon. Ce chauffage non isotherme des parois permet de le maintenir à des altitudes élevées dans la stratosphère (30km le jour et 20km la nuit). La caractérisation du bilan thermique complet de la MIR, en fonction des flux infrarouge et solaire reçus, permet d'estimer son altitude de vol et l'instant de sa redescente. Or, peu d'études caractérisent l'échange thermique convectif entre la MIR et le milieu extérieur. Ce paramètre étant peu connu, il conduit à une erreur sur le calcul du bilan thermique et sur l'estimation de l'altitude de vol de la MIR.
Cette étude vise à reproduire des conditions expérimentales proches de celles rencontrées par la MIR lors de son vol (1011<Ra<1012, température inhomogène, condition d'environnement infini), dans une enceinte confinée, pour calculer le coefficient de convection naturelle (nombre de Nusselt) sur sa paroi externe.
Dans ce but, une maquette de la MIR, à l’échelle 1/100ème, dont la structure est en liège (faible conductivité thermique), est entourée de 17 bandes de films chauffants (résistances à flux thermique constant). Ces films chauffants permettent de reproduire une distribution de température non homogène sur la paroi de la maquette. Celle-ci est plongée dans une cuve parallélépipédique de 2 mètres de hauteur et 1x1 mètre de côté dont les parois verticales sont en verre et le plafond en aluminium est maintenu à 10°C. Dans cette configuration, avec la cuve remplie d'air, les nombres de Rayleigh étudiés sont compris entre 2x108 et 4x108, ce qui permet de reproduire un écoulement de convection naturelle turbulent autour de la maquette.
Une instrumentation PIV (Particle Image Velocimetry) permet de caractériser l’écoulement dans un plan 2D autour du ballon et des thermocouples, placés sous les films chauffants à l’intérieur de la maquette et dans la cuve, mesurent la température sur les parois et dans l'écoulement. Connaissant la température et la puissance envoyée au films chauffants, l'évolution du nombre de Nusselt local est calculée sur un méridien de la maquette pour différentes distributions de température. Cette étude expérimentale est complétée par une étude numérique permettant d'étudier le nombre de Nusselt local pour des nombres de Rayleigh plus importants (1010<Ra<2x1010), plus proches des conditions réelles.
