Présentation
Auteur(s)
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Magdeleine HUETZ-AUBERT : Docteur ès Sciences - Directeur de Recherche Émérite au Centre National de la Recherche Scientifique
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Sorïn KLARSFELD : Docteur de l’Université de Paris - Ancien Chef de Laboratoire à Saint-Gobain Recherche
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Philippe de DIANOUS : Ingénieur de Recherche, ISOVER Saint-Gobain, CRIR, Rantigny (pour l’annexe 2)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Ce texte fait suite à l’article consacré au rayonnement thermique des matériaux opaques [1]. Pour ces derniers, les interactions rayonnement-matière, c’est‐à‐dire les processus de réflexion, d’absorption et d’émission sont considérés comme des phénomènes de surface ou d’interface.
Un milieu semi-transparent (MST) est susceptible, non seulement de réfléchir à sa « surface » une fraction d’un rayonnement incident, mais aussi sur une distance appréciable, voire sur toute son épaisseur, d’absorber, de diffuser ou de transmettre l’autre fraction et simultanément d’émettre. Une étude de la propagation du rayonnement à l’intérieur de la matière, inutile pour les matériaux opaques, est donc indispensable dans le cas d’un MST.
Les définitions des grandeurs physiques (coefficients, facteurs monochromatiques...) et les équations (équation de transfert radiatif, bilan de flux pour le MST...) des trois premiers paragraphes sont valables pour tous les MST. Mais les particularités physiques propres aux milieux gazeux avec ou sans particules et leurs conséquences sur le traitement théorique ne seront pas examinées ici et feront l’objet d’un autre article. Les exemples de caractéristiques radiatives 1, d’approximations 4 et d’applications 5 sont réservés à des matériaux denses, solides ou liquides ; de même, seul le couplage du rayonnement avec la conduction est examiné. Autrement dit, le présent article est orienté essentiellement vers ce que l’on appelle, non plus milieux, mais matériaux semi-transparents (également MST) sous deux formes possibles : l’une, dite en masse ou en bloc, concerne par exemple les verres, les céramiques, les semi-conducteurs, les matières plastiques ; l’autre, qualifiée de divisée, comporte plusieurs phases comme les matériaux poreux où le fluide interstitiel reste immobile.
Traitée dans certains laboratoires spécialisés (voir « Pour en savoir plus Rayonnement thermique des matériaux semi-transparents »), l’étude de la propagation du rayonnement dans un MST est un problème complexe tant du point de vue physique que mathématique. Si l’on excepte certains matériaux comme les verres et malgré les techniques expérimentales actuellement disponibles [2], [5], les données sur les caractéristiques radiatives sont rares et les conditions de leur obtention mal définies. Quant à la résolution numérique des équations, elle est abordée dans des géométries particulières et avec des hypothèses simplificatrices, portant entre autres sur la diffusion, l’idéal étant que cette dernière soit négligeable.
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Annexe 1 : composition des milieux étudiés6. Conclusion
Le transfert d’énergie thermique à travers des matériaux semi-transparents intervient dans des situations extrêmement variées [4] appartenant aussi bien à la vie courante (vitres, pare‐brise, fibres optiques, fours, isolants, etc.) qu’au monde industriel (industries du verre, des céramiques, du bâtiment, aérospatiale, sûreté nucléaire, etc.). Dans ce transfert, la part radiative est souvent essentielle ; elle apparaît clairement à hautes températures ; mais elle peut intervenir également à des températures ordinaires ou même très basses ; il est donc nécessaire de prendre en compte une très large échelle de longueurs d’onde, depuis le visible jusqu’à l’infrarouge relativement lointain.
Un problème de thermique est résolu quand les profils de température et de flux sont déterminés dans le système considéré. Sur le plan mathématique, les équations générales sont bien connues. Mais celles concernant le rayonnement, très complexes en elles‐mêmes, puisqu’elles font intervenir entre autres des intégrations sur la fréquence ν et la direction Δ, le deviennent encore plus en présence de couplages, avec la conduction par exemple.
Dans un MST, en ETL, de géométrie tridimensionnelle, diffusant et anisotherme, même supposé isotrope, une résolution nécessairement numérique, conduisant aux profils cherchés et effectuée à partir des équations prises dans leur intégralité, est pratiquement exclue. Des simplifications, physiquement justifiées, sont indispensables avant de faire appel à des algorithmes efficients pour réaliser le calcul en un temps raisonnable [4].
Mais,...
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