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RÉSUMÉ
La convection thermique est le transfert de chaleur dans les fluides en mouvement. Pour être plus précis, ce phénomène est la conjonction de deux mécanismes physiques, la diffusion moléculaire et l’advection. Cet article traite des aspects physiques de la convection en abordant successivement les conditions aux parois, les critères de similitude en convection forcée, naturelle et mixte, l’utilisation des principales grandeurs extensives (masse, quantité de mouvement, énergie). Pour terminer, il s’intéresse aux fluides dont la diffusivité thermique est très grande devant la viscosité cinématique.
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Jacques PADET : Professeur à l’Université de Reims
INTRODUCTION
Le transfert de chaleur dans les fluides en mouvement est appelé convection thermique . Dans un milieu matériel rigide, le phénomène se réduit à la conduction thermique, mais les fluides ne sont pas des milieux rigides, et sont très rarement immobiles car des efforts de faible intensité suffisent à les mettre en mouvement.
La convection thermique est donc la conjugaison de deux mécanismes physiques : la diffusion moléculaire (conduction thermique) et l’advection (entraînement par le mouvement du fluide). Des lois analogues régissent la convection massique , due à des gradients de concentration dans un mélange.
Dans ce domaine, les besoins de l’ingénieur concernent principalement le calcul des flux de chaleur (ou de masse) sur les parois qui délimitent les domaines fluides, et la connaissance des champs de température (car on doit souvent respecter des températures limites pour les matériaux, et parfois aussi pour les fluides de refroidissement).
Cet article porte sur la présentation des aspects physiques de la convection : couplage avec la conduction, bilans des principales grandeurs extensives (masse, quantité de mouvement, énergie), distinction entre convection forcée, naturelle et mixte (en régime laminaire ou turbulent), conditions aux parois.
La multiplicité des paramètres à prendre en compte encourage le recours à la similitude et à des grandeurs sans dimension, qui sont présentées en relation avec la source à laquelle elles sont associées. On insiste particulièrement sur la distinction entre critères de similitude, paramètres de couplage et simples groupements sans dimension, ainsi que sur l’utilisation pratique de ces diverses grandeurs. Un paragraphe est enfin consacré aux fluides dont la diffusivité thermique est très grande devant la viscosité cinématique, tels que les métaux liquides.
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Adimensionnement et similitude
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2. Conditions aux parois et leur mise en œuvre
2.1 Conditions aux limites imposées
Les équations de bilans, quelles que soient les simplifications que l’on introduit (λ constant, stationnarité
, etc.) ne peuvent être complètement résolues que si l’on connaît les conditions aux limites. S’agissant d’un écoulement anisotherme, celles-ci sont de deux ordres : mécanique et thermique.
Elles sont particulièrement simples : au contact d’une paroi solide, le fluide a localement la même vitesse que le solide. C’est vrai tout aussi bien que la paroi soit fixe (tuyauteries classiques) ou mobile (aubages de turbine), que le fluide soit isotherme ou non. Les seules exceptions concernent les parois poreuses (mais alors le débit-masse n’est plus conservé entre ces parois) ou les écoulements des gaz raréfiés ou, plus exactement, de gaz dont le libre parcours moyen
, très petit en général, commence à être de l’ordre de grandeur de la plus petite dimension du conduit où s’effectue l’écoulement.
Exemple de libre parcours moyen de l’air :
-
air ambiant,
,
-
air à 100 km d’altitude,
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