Présentation
Auteur(s)
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Patrick DEPECKER : Docteur-ingénieur, Docteur ès-sciences - Professeur de l’Université Claude Bernard Lyon 1
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Christian INARD : Maître de conférences de l’Université Claude Bernard Lyon 1 - Docteur-ingénieur
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le génie climatique est l’un des domaines d’application privilégié de la discipline des transferts thermiques. Sa particularité réside dans une exploitation des lois de base sous une forme plus ou moins simplifiée, compatible avec la pratique du métier d’ingénieur. Bien que les moyens de calcul soient, depuis une trentaine d’années, en constante progression, il demeure indispensable de disposer de règles de calcul adaptées. Le calcul prédictif, validé par l’expérimentation, des performances d’un propulseur d’avion justifie une modélisation fine, appelant souvent des travaux de recherche approfondis. Le calcul des installations de génie climatique, quant à lui, supporte et exige des outils de modélisation plus simples, pour des raisons à la fois opérationnelles, techniques et économiques, mais aussi pour préserver la cohérence de l’ensemble des modèles utilisés. Il serait en effet incorrect de modéliser très finement un transfert conductif dans une paroi, alors que les coefficients d’échanges de surface ne sont connus que très approximativement et varient beaucoup sur la globalité de cette surface.
Cependant, les outils de calcul du génie climatique ont fait d’importants progrès au cours des dernières décennies. L’informatisation massive des bureaux d’études a permis l’apparition de modèles de calcul capables de prendre en compte le régime variable pour certaines applications de l’ingénierie. Ces modèles demeurent simplifiés par rapport aux instruments de la recherche en transfert thermique. On trouvera donc dans cet article un rappel des lois physiques, telles qu’elles peuvent être mises en œuvre dans le domaine du génie climatique. Leur caractère fondamental est donc en rapport avec l’objectif visé et le lecteur pourra, s’il souhaite en connaître l’origine, consulter d’autres articles des Techniques de l’Ingénieur ou d’autres ouvrages, plus spécialisés sur les fondements des lois de transferts thermiques. Il s’agit donc là d’une base de connaissance des mécanismes macroscopiques que l’ingénieur pourra utilement exploiter pour l’étude des systèmes physiques auxquels il est confronté.
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Globalisation des échanges3. Lois fondamentales de l’échange thermique convectif
Le lecteur pourra se reporter dans le traité Génie énergétique à l’article Notions de transfert thermique par convection [A 1 540].
3.1 Aperçu phénoménologique
Le transfert de chaleur convectif est le mode privilégié de déplacement de la chaleur au sein du milieu fluide, y compris à sa limite, lorsque le fluide touche la paroi. Nous ne reviendrons pas ici sur les mécanismes fondamentaux gouvernant la convection. Nous nous contenterons de rappeler les échanges de quantités de mouvement par choc moléculaire permettant d’expliquer l’échange de chaleur entre une molécule agitée et une autre qui le serait moins.
Globalement, on peut observer, dans un fluide initialement inerte, un mouvement induit par les régions les plus chaudes de masse volumique plus faible et provoquant le brassage. Ces mécanismes sont assez complexes à décrire, d’autant qu’ils se combinent souvent à une dynamique imposée par un moteur de circulation : ventilateur, pompe, effet gravitaire, ... La description de ces mécanismes relève de la mécanique des fluides anisothermes, et l’on pourra, pour des précisions sur ces fondements, se reporter aux notions fondamentales sur les transferts de chaleur.
Comme pour l’échange thermique radiatif, il est rare de rencontrer des situations de systèmes physiques pour lesquelles l’échange convectif soit le seul à intervenir. Même au sein des gaz, il y a aussi échanges radiatifs. La convection thermique coexiste donc presque toujours avec le rayonnement. Toutefois, dans certains cas, la convection est largement dominante et le rayonnement est alors négligé.
Comme dans le cas du rayonnement, là encore, la convection thermique se manifeste presque partout autour de nous. Les grands mouvements de l’air de l’atmosphère, les courants marins, la brise marine en bord de mer, l’air chaud s’élevant des champs de blé en été, les mouvements de l’air dans nos habitations, l’eau dans la bouilloire et finalement les écoulements d’air au travers des tissages larges de nos vêtements d’été. À des échelles très variables, de la convection géante à la micro‐convection, ce phénomène thermique, associé à l’omniprésence de l’air...
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