Classification des régimes d’écoulement
Le régime d’écoulement peut également être classé en fonction de la géométrie d’un conduit ou de la zone d’écoulement. De ce point de vue, on distingue:
Le flux interne est un flux pour lequel le fluide est confiné par une surface. Une connaissance détaillée du comportement des régimes d’écoulement interne est importante en ingénierie , car les tuyaux circulaires peuvent supporter des pressions élevées et sont donc utilisés pour transporter des liquides. Par ailleurs, le flux externe est un flux dans lequel les couches limites se développent librement, sans contrainte imposée par les surfaces adjacentes. Une connaissance détaillée du comportement des régimes d’ écoulement externes est importante, notamment en aéronautique et en aérodynamique .
Débit externe
En dynamique des fluides , l’écoulement externe est un tel écoulement dans lequel les couches limites se développent librement, sans contraintes imposées par les surfaces adjacentes . Par rapport au flux interne, les flux externes présentent des effets très visqueux confinés à des « couches limites » à croissance rapide dans la région d’entrée, ou à des couches de cisaillement minces le long de la surface solide. En conséquence, il existera toujours une région de l’écoulement à l’extérieur de la couche limite. Dans cette région, la vitesse, la température et / ou la concentration ne changent pas et leurs gradients peuvent être négligés.
Cet effet provoque la couche limite à l’ expansion et l’épaisseur de la couche limite se rapporte à la viscosité cinématique du fluide.
Cela est démontré sur l’image suivante. Loin du corps, le flux est presque non visqueux, il peut être défini comme le flux d’un fluide autour d’un corps qui est complètement submergé.
Débit externe – plaque plate
Le nombre moyen de Nusselt sur toute la plaque est déterminé par:
Cette relation donne le coefficient de transfert de chaleur moyen pour toute la plaque lorsque le flux est laminaire sur toute la plaque.
Cette relation donne le coefficient de transfert thermique moyen pour la plaque entière uniquement lorsque l’écoulement est turbulent sur toute la plaque, ou lorsque la région d’ écoulement laminaire de la plaque est trop petite par rapport à la région d’écoulement turbulent.
Flux interne
En dynamique des fluides , le flux interne est un flux pour lequel le fluide est confiné par une surface . Une connaissance détaillée du comportement des régimes d’écoulement internes est importante en ingénierie, car les tuyaux circulaires peuvent résister à des pressions élevées et sont donc utilisés pour transporter des liquides. Les conduits non circulaires sont utilisés pour transporter des gaz à basse pression, tels que l’air dans les systèmes de refroidissement et de chauffage. La configuration du flux interne est une géométrie pratique pour les fluides de chauffage et de refroidissement utilisés dans les technologies de conversion d’énergie telles que les centrales nucléaires .
Pour le régime d’écoulement interne, une région d’entrée est typique. Dans cette région, un flux amont presque non visqueux converge et pénètre dans le tube. Pour caractériser cette région, la longueur d’entrée hydrodynamique est introduite et est approximativement égale à:
La longueur maximale d’entrée hydrodynamique, à Re D, crit = 2300 ( flux laminaire ), est L e = 138d, où D est le diamètre du tuyau. Il s’agit de la plus longue durée de développement possible. Dans un écoulement turbulent , les couches limites croissent plus rapidement et L e est relativement plus courte. Pour tout problème donné, L e / D doit être vérifié pour voir si L e est négligeable par rapport à la longueur du tuyau. À une distance finie de l’entrée, les effets d’entrée peuvent être négligés, car les couches limites fusionnent et le noyau non visqueux disparaît. L’écoulement du tube est alors complètement développé .
Écoulement laminaire interne – nombre de Nusselt
Température de surface constante
Dans un écoulement laminaire dans un tube à température de surface constante, le facteur de friction et le coefficient de transfert de chaleur restent constants dans la région complètement développée.
Flux de chaleur de surface constant
Par conséquent, pour un écoulement laminaire pleinement développé dans un tube circulaire soumis à un flux thermique de surface constant , le nombre de Nusselt est une constante. Il n’y a aucune dépendance sur les nombres de Reynolds ou de Prandtl .
Débit turbulent interne – nombre de Nusselt
Voir aussi: Équation Dittus-Boelter
Pour un écoulement turbulent complètement développé (hydrodynamiquement et thermiquement) dans un tube circulaire lisse, le nombre de Nusselt local peut être obtenu à partir de l’ équation bien connue de Dittus-Boelter . L’ équation Dittus ?? Boelter est facile à résoudre mais est moins précise lorsqu’il existe une grande différence de température à travers le fluide et est moins précise pour les tubes rugueux (de nombreuses applications commerciales), car elle est adaptée aux tubes lisses.
La corrélation Dittus-Boelter peut être utilisée pour des différences de température petites à modérées, paroi T – T moyenne , toutes les propriétés étant évaluées à une température moyenne T moyenne .
Pour les flux caractérisés par de grandes variations de propriétés, les corrections (par exemple un facteur de correction de viscosité μ / μ paroi ) doivent être prises en compte, par exemple, comme le recommandent Sieder et Tate .
Calcul du nombre de Nusselt à l’aide de l’équation de Dittus-Boelter
Pour un écoulement turbulent pleinement développé (hydrodynamiquement et thermiquement) dans un tube circulaire lisse, le nombre de Nusselt local peut être obtenu à partir de l’ équation bien connue de Dittus ?? Boelter .
Pour calculer le nombre de Nusselt , nous devons savoir:
- le nombre de Reynolds , qui est Re Dh = 575600
- le nombre de Prandtl , qui est Pr = 0,89
Le nombre de Nusselt pour la convection forcée à l’intérieur du canal de carburant est alors égal à:
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