Qu’est-ce que la convection forcée – Définition

Convection forcée

Comme il a été écrit, la convection a lieu par advection, diffusion ou les deux. Dans ce chapitre, nous considérons le transfert par convection dans les écoulements de fluide provenant d’une condition de forçage externe –  convection forcée .

Loi de Newton sur le refroidissement

Malgré la complexité de la convection , on constate que le taux de transfert de chaleur par convection est proportionnel à la différence de température et s’exprime de manière appropriée par la loi de Newton sur le refroidissement , selon laquelle:

Le taux de perte de chaleur d’un corps est directement proportionnel à la différence de température entre le corps et son environnement, à condition que la différence de température soit petite et que la nature de la surface rayonnante reste la même.

Notons que, ΔT est donné par la température de surface ou de paroi , la _paroi T et la température globale , T _∞ , qui est la température du fluide suffisamment loin de la surface.

Convection forcée – équation de 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 la célèbre  équation de Dittus-Boelter . L’  équation de Dittus ?? Boelter  est facile à résoudre, mais est moins précise en cas de différence de température importante dans le  fluide  et moins précise pour les tubes bruts (nombreuses applications commerciales), car elle est conçue pour les tubes lisses.

La  corrélation de Dittus-Boelter  peut être utilisée pour des différences de température faibles à modérées, T _mur  – T _moy , avec toutes les propriétés évaluées à une température moyenne T _moy .

Pour les écoulements caractérisés par de grandes variations de propriétés, les corrections (par exemple, un facteur de correction de la viscosité  µ / µ _mur ) doivent être prises en compte, par exemple, comme le recommandent Sieder et Tate.

Convection forcée et naturelle combinées

Comme il a été écrit, la convection a lieu par advection, diffusion ou les deux. Dans les chapitres précédents, nous avons considéré le transfert par convection dans les écoulements de fluides qui proviennent d’une condition de forçage externe –  la convection forcée . Dans ce chapitre, nous considérons  la convection naturelle , où tout mouvement de fluide se produit par des moyens naturels tels que la flottabilité. En fait, il existe des régimes de flux, dans lesquels nous devons considérer les  deux mécanismes de forçage . Lorsque les vitesses d’écoulement sont faibles, la convection naturelle contribuera également en plus de la convection forcée. Que la convection libre soit importante ou non pour le transfert de chaleur, elle peut être vérifiée en utilisant les critères suivants:

• Si Gr / Re ²  >> 1 convection libre prévaut
• Si Gr / Re ²  << 1 la convection forcée prévaut
• Si Gr / Re ²  ≈ 1, les deux doivent être considérés

L’effet de la flottabilité sur le transfert de chaleur dans un écoulement forcé est fortement influencé par la direction de la force de flottabilité par rapport à celle de l’écoulement. La convection naturelle  peut  aider  ou  nuire au  transfert de chaleur par convection forcée, selon les directions relatives de la flottabilité induite et les mouvements de convection forcée. Trois cas particuliers qui ont été largement étudiés correspondent à des mouvements induits et forcés par la flottabilité:

• Assister le flux . Le mouvement flottant va dans le même sens que le mouvement forcé.
• Flux opposé . Le mouvement flottant est dans la direction opposée au mouvement forcé.
• Flux transversal . Le mouvement flottant est perpendiculaire au mouvement forcé.

Il est évident qu’en aidant et en traversant les flux, la flottabilité améliore le taux de transfert de chaleur associé à la convection forcée pure. En revanche, dans des flux opposés, il diminue le taux de transfert de chaleur. Lors de la détermination du  nombre de Nusselt  dans des conditions combinées de convection naturelle et forcée, il est tentant d’ajouter les contributions de la convection naturelle et forcée dans les flux d’assistance et de les soustraire dans les flux opposés:

Convection forcée et naturelle combinées

Pour la géométrie spécifique d’intérêt, les nombres de Nusselt  Nu _forcé  et  Nu _naturel  sont déterminés à partir des corrélations existantes pour la convection forcée pure et naturelle (libre), respectivement. La meilleure corrélation des données avec les expériences est souvent obtenue pour l’  exposant n = 3 , mais elle peut varier entre 3 et 4, selon la géométrie du problème.