Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Cet article expose les notions fondamentales du transfert radiatif au sein de milieux pouvant absorber, émettre et diffuser le rayonnement thermique de façon volumique. De tels milieux sont dits semi-transparents, ou participants au rayonnement. Ils se rencontrent, notamment, dans les procédés industriels à haute température, la sécurité incendie, la thermique des chambres de combustion, la signature infrarouge d’aéronefs, certaines techniques d’usinage, etc. Les différents mécanismes d’interaction du rayonnement avec la matière sont détaillés. Ils mènent à une équation de transport dont la solution donne accès aux grandeurs énergétiques fondamentales pour le thermicien (flux, sources volumiques).
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Lire l’articleAuteur(s)
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Denis LEMONNIER : Directeur de recherche au CNRS Institut Pprime, CNRS – ENSMA – Université de Poitiers, Futuroscope Chasseneuil, France
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Pascal BOULET : Professeur des universités LEMTA, Université de Lorraine-CNRS, Nancy, France
INTRODUCTION
Un milieu semi-transparent est un milieu qui absorbe – éventuellement diffuse – et émet le rayonnement thermique, de façon volumique. On dit aussi qu’il s’agit d’un milieu participant au rayonnement.
On rencontre ce type de milieu, par exemple, en combustion où les gaz à haute température émettent et absorbent le rayonnement de façon volumique. De plus, si ces mêmes gaz sont chargés de particules (suies, gouttelettes), celles-ci contribuent également au transfert radiatif par absorption, émission et diffusion des photons. De manière générale, le rayonnement peut être considéré sous le point de vue ondulatoire (on s’intéresse donc à la propagation d’ondes électromagnétiques) ou corpusculaire (on suit des paquets d’énergie, en l’occurrence des photons). Les deux approches ont leurs propres avantages et inconvénients. Elles sont utilisées de manière complémentaire.
ll y a encore d’autres domaines de grand intérêt industriel où le rayonnement à travers un milieu « semi-transparent » joue un rôle prépondérant, tels que les procédés à haute température (fours verriers, chaudières), les moteurs d’avion ou de fusée (thermique des chambres de combustion, télédétection infrarouge), la conception d’isolants, la prévention des incendies, etc.
Cet article présente les notions de base du transfert radiatif dans les milieux qui absorbent, émettent et diffusent les photons. Les divers mécanismes sont détaillés afin d’établir les bases du modèle physique sur lequel se fondent les principales méthodes de modélisation du rayonnement thermique.
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Grandeurs énergétiques
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1. Milieux semi-transparents
Le caractère semi-transparent d’un matériau dépend de sa capacité à laisser pénétrer plus ou moins profondément les photons avant de les absorber ou de les diffuser.
– Si cette pénétration est (très) faible devant les dimensions du milieu étudié, ce dernier sera considéré comme optiquement épais, voire même opaque : le rayonnement sera éventuellement limité à un phénomène de surface [BE 8 210].
– Inversement, si les photons peuvent traverser le milieu sans être absorbés (ou seulement en très petit nombre), le milieu sera considéré comme optiquement mince, voire transparent.
Un milieu matériel ne peut absorber un photon que s’il est capable de transformer l’énergie apportée :
-
soit en énergie d’excitation électronique ;
-
soit en énergie de vibration des atomes ou molécules.
Or, les niveaux d’énergie électroniques et vibrationnels sont quantifiés – sauf en ce qui concerne les électrons libres (solides conducteurs, gaz ionisés) – et ne peuvent être atteints que par valeurs discrètes. Par conséquent, seuls les photons dont l’énergie correspond exactement au passage d’un niveau à un autre sont captés. Cela explique la variation spectrale des propriétés d’absorption de différents matériaux, solides ou fluides, sachant que l’énergie d’un photon est liée à sa fréquence (e = hν) et donc à sa longueur d’onde (λ = c/ν). La dépendance spectrale peut a priori être exprimée en fonction de la fréquence ou de la longueur d’onde (voire, dans certaines applications, en fonction du nombre d’onde comme évoqué plus loin dans le paragraphe 1.3 consacré aux gaz). Toutefois, l’expression de la longueur d’onde fait apparaître...
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Milieux semi-transparents
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MODEST (M.F.), MAZUMDER (S.) - Radiative heat transfer. - 4th Edition, Academic Press, ISBN : 978-0128181430 (2022).
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(2) - HOWELL (J.R.), MENGUC (M.P.), DAUN (K.), SIEGEL (R.) - Thermal radiation heat transfer. - 7th Edition, CRC Press, ISBN : 978-0367347079 (2021).
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(3) - SACADURA (J.-F.) - Transferts thermiques. Initiation et approfondissement. - Lavoisier Tec & Doc, ISBN : 978-2-7430-1993-8 (2015).
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(4) - TAINE (J.), ENGUEHARD (F.), IACONA (E.) - Transferts thermiques. Introduction aux transferts d’énergie. - Dunod, ISBN : 978-2100710140 (2014).
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(5) - DOMBROVSKY (L.A.), BAILLIS (D.) - Thermal radiation in disperse systems : an engineering approach. - Begell House, ISBN : 978-156700268-3 (2010).
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(6) - SOLOVJOV (V.P.), WEBB (B.W.), ANDRE (F.) - Radiative...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer Elsevier, ISSN : 0022-4073 http://www.journals.elsevier.com/journal-of-quantitative-spectroscopy-and-radiative-transfer
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Symposiums internationaux de rayonnement RAD de l’International Centre for Heat and Mass Transfer (ICHMT), organisés tous les 3 ans http://www.ichmt.org
Séminaires internationaux Computational Radiative Transfer in Participating Media (CTPRM), organisés sous l’égide du comité EUROTHERM http://www.eurothermcommittee.eu
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Société Française de Thermique, groupe thématique « rayonnement » http://www.sft.asso.fr
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