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RÉSUMÉ
Dans le cadre des problèmes inverses en diffusion thermique, la question de la construction d’un modèle adapté, ici la solution d’une des formes de l’équation de la chaleur, est présentée. Plusieurs exemples permettent l’introduction des concepts d’entrée, de sortie et de paramètres structurels d’un modèle. Les principes physiques des techniques de mesure de température, avec ou sans contact, ainsi que les lois d’étalonnage correspondantes sont détaillés, en intégrant les notions de bruit de mesure et d’échantillonnage du signal issu du capteur. La sensibilité de la sortie d’un modèle à ses paramètres structurels ou à son entrée paramétrisée constitue ici la base de l’approche inverse.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Denis MAILLET : Professeur émérite, Université de Lorraine (UL) - Laboratoire d’Énergétique et de Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA) – CNRS et UL
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Yvon JARNY : Professeur émérite, Université de Nantes - Laboratoire de Thermique et Énergie de Nantes (LTeN) – UMR CNRS 6607 Nantes
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Daniel PETIT : Professeur émérite, École Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechnique (ISAE-ENSMA) - Institut P’ UPR CNRS 3346 Département Fluides, Thermique, Combustion – Poitiers
INTRODUCTION
Cet article est le premier d’une série de trois articles ([BE 8 265], [BE 8 266] et [BE 8 267]). Il est destiné à introduire la notion de modèle, relatif à la résolution d’un problème dit « direct », en conduction thermique où l’équation de la chaleur permet de déduire les températures à partir d’une source, un flux thermique excitateur, par exemple. Ce modèle permet ensuite, grâce à la prise en compte de mesure(s) de température, d’alimenter la démarche dite « inverse » visant, par exemple, à remonter au flux thermique. Les différents types de modèles, ainsi que les grandeurs utilisées, sont d’abord présentés, en optant pour une approche largement répandue en dynamique des systèmes, et qui lie entrée(s) et sortie(s). Les techniques d’instrumentation actuellement disponibles pour mesurer la température sont ensuite passées en revue, en insistant sur le principe de mesure, la loi d’étalonnage et les caractéristiques stochastiques du bruit sur le signal. La notion de sensibilité, qui découle directement du modèle adopté, est enfin abordée : elle constitue un outil incontournable pour assurer, par la suite, la réussite d’une inversion.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de oct. 2010 par Denis MAILLET, Yvon JARNY, Daniel PETIT
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Équation de la chaleur : quel modèle utiliser ?
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1. Modèles et techniques inverses en thermique
En conduction thermique, l’analogie entre un flux de chaleur et une intensité électrique est un outil classique pour l’ingénieur : en effet, la diffusion de la chaleur est une conséquence d’un gradient de température au même titre que l’intensité d’un courant résulte d’une différence de potentiel électrique. Si cette analogie constitue un outil pratique pour des calculs, elle est beaucoup plus délicate à mettre en œuvre expérimentalement : il n’est pas aussi facile de mesurer un flux de chaleur qu’une intensité électrique : « l’ampèremètre thermique » qui se branche entre deux faces ou deux points internes d’une paroi et qui donne simplement, directement et instantanément la puissance thermique la traversant n’existe pas.
C’est en effet tout un art de construire un fluxmètre, appareil que l’on interpose dans un milieu traversé par le flux à mesurer. Pour un tel instrument, la difficulté réside dans la conversion en flux du signal de sortie (souvent une différence de température entre les deux faces du fluxmètre). En effet, la simple présence du capteur peut modifier le flux que l’on cherche à mesurer (caractère intrusif). L’utilisation de la loi de calibration du fluxmètre (différence de potentiel en fonction du flux) présuppose en outre le respect de conditions souvent très contraignantes (en général, existence d’un régime permanent et transfert de chaleur unidirectionnel). Un montage du fluxmètre non plus en série, mais en parallèle, c’est-à-dire en « shunt thermique », est en outre irréalisable du fait de l’impossibilité de définir deux tubes de flux isolés sur leur interface mutuelle.
Ces quelques remarques justifient pourquoi les thermiciens, au début des années 1960 se sont tournés vers les techniques inverses initialement étudiées par les mathématiciens.
Le premier type d’applications concernait l’utilisation de différences de température mesurées dans la paroi, en régime transitoire, pour remonter au flux de chaleur sur une de ses faces (cas d’évaluation de flux sur les bords d’attaque des engins rentrant dans l’atmosphère, voir ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SHUMAKOV (N.V.) - A method for the experimental study of the process of heating a solid body. - Soviet Physics-Technical Physics (Translated by the American Institute of Physics), 2, p. 771 (1957).
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(2) - BECK (J.V.), BLACKWELL (B.), ST-CLAIR (Jr.C.R.) - Inverse heat conduction – Ill – Posed problems. - Épuisé, mais des copies reliées spirales peuvent être distribuées directement par BECK (J.V.), Wiley, New York, 308 p. (1985).
-
(3) - BECK (J.V.), COLE (K.D.), HAJI-SHEIKH (A.), LITKOUHI (B.) - Heat conduction using green’s functions. - Hemisphere, London (1992).
-
(4) - OZISIK (M.N.) - Heat conduction. - 2nd edition, Wiley, Chichester (1993).
-
(5) - MAILLET (D.), HOULBERT (A.S.), DIDIERJEAN (S.), LAMINE (A.S.), DEGIOVANNI (A.) - Nondestructive thermal evaluation of delaminations inside a laminate – Part I : Identification using the measurement of a thermal contrast – Part II : The experimental Laplace transforms method. - Composites...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Logiciel INVLAP d’inversion numérique de la transformation de Laplace par l’algorithme de De Hoog http://www.cambridge.org/us/
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Société française de thermique (voir les actes des écoles Metti 5-2011 et Metti 6-2015) http://www.sft.asso.fr
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