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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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Convection dans les fluides à faible nombre de Prandtl
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4. Utilisation pratique des nombres sans dimension
La motivation du paragraphe 3, à savoir trouver des écoulements anisothermes semblables relevant d’une même expression des nombres caractéristiques qui ont été définis, peut-elle conduire, en fin de compte, à la relation unique idéale dont relèveraient tous les cas ? La réponse est, malheureusement, négative mais l’on peut au moins définir quelques grandes classes d’écoulements irréductibles les unes aux autres. À l’intérieur de chacune d’elles, une même expression du nombre de Nusselt reste valable quitte à aménager les coefficients pour passer d’une forme géométrique d’écoulement à une autre, par exemple de l’écoulement dans un tube cylindrique à celui qui caractérise un tube à section rectangulaire.
Le tableau 1 et le tableau 2 sont en principe à double entrée et distinguent essentiellement trois types de géométrie et deux types d’écoulement mécanique. C’est là un choix quelque peu arbitraire car d’autres peuvent tout aussi bien se défendre. Ces tableaux donnent l’allure des expressions du nombre de Nusselt. Mais ils doivent faire apparaître les différences substantielles qui séparent physiquement la convection forcée de la convection naturelle, d’où une présentation en deux parties, l’une relative à la convection forcée, l’autre à la convection naturelle.
4.1 Classes irréductibles en convection forcée CF
4.1.1 Principales distinctions
Nous distinguerons trois configurations qualitatives et deux régimes mécaniques laminaire ou turbulent. Cette dernière classification est évidente. Employer le terme de qualitatif pour trois grandes classes...
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