Qu’est-ce que la convection naturelle – Définition

En convection naturelle, le fluide entourant une source de chaleur reçoit de la chaleur et, par conséquent, la dilatation thermique devient moins dense et augmente. Définition de la convection naturelle

Convection naturelle – Convection libre

Convection naturelle - couche limite

Définition de la convection naturelle

La convection naturelle , appelée aussi convection libre, est un mécanisme, ou type de transport de masse et de chaleur , dans lequel le mouvement du fluide est généré uniquement par des différences de densité dans le fluide dues aux gradients de température, et non par une source externe (comme une pompe). ventilateur, dispositif d’aspiration, etc.).

En convection naturelle , le fluide entourant une source de chaleur reçoit de la chaleur et, par conséquent, la dilatation thermique devient moins dense et augmente. La dilatation thermique du fluide joue un rôle crucial. En d’autres termes, les composants plus lourds (plus denses) vont tomber, alors que les composants plus légers (moins denses) augmentent, entraînant un mouvement de fluide en vrac. La convection naturelle ne peut se produire que dans un champ gravitationnel ou en présence d’une autre accélération appropriée , telle que:

  • accélération
  • force centrifuge
  • force de Coriolis

La convection naturelle ne fonctionne pas essentiellement dans l’orbite de la Terre. Par exemple, dans la station spatiale internationale en orbite, d’autres mécanismes de transfert de chaleur sont nécessaires pour éviter la surchauffe des composants électroniques.

 

Création de courants de convection

La création de courants de convection  est basée sur trois hypothèses physiques:

  • Présence de source de chaleur . Une source de chaleur est nécessaire, car les  courants de convection  sont générés par les différences de densité dans le fluide qui se produisent en raison des gradients de température. En convection naturelle, le fluide entourant une source de chaleur reçoit de la chaleur et par dilatation thermique devient moins dense et monte. La dilatation thermique du fluide joue un rôle crucial. En d’autres termes, des composants plus lourds (plus denses) tomberont, tandis que des composants plus légers (moins denses) augmenteront, entraînant un mouvement de fluide en vrac.
  • Présence d’une bonne accélération. La convection naturelle ne peut se produire que dans un champ gravitationnel ou en présence d’une autre accélération appropriée, telle que l’accélération, la force centrifuge et la force de Coriolis. La convection naturelle ne fonctionne essentiellement pas sur l’orbite de la Terre. Par exemple, dans la Station spatiale internationale en orbite, d’autres mécanismes de transfert de chaleur sont nécessaires pour empêcher les composants électroniques de surchauffer.
  • Géométrie appropriée . La présence et l’ampleur de la convection naturelle dépendent également de la géométrie du problème. La présence d’un gradient de densité de fluide dans un champ gravitationnel ne garantit pas l’existence de courants de convection naturels. Ce problème est illustré dans la figure suivante, où un fluide est enfermé par deux grandes plaques horizontales de température différente (T supérieur  ≠ T inférieur ).
    • Dans le  cas A,  la température de la plaque inférieure est supérieure à la température de la plaque supérieure. Dans ce cas, la densité diminue dans le sens de la force gravitationnelle. Cette géométrie induit la circulation des fluides et le transfert de chaleur se fait via  la circulation naturelle . Le fluide plus lourd descendra, étant réchauffé dans le processus, tandis que le fluide plus léger augmentera, se refroidissant en se déplaçant.
    • Dans le  cas B,  la température de la plaque inférieure est inférieure à la température de la plaque supérieure. Dans ce cas, la densité augmente dans le sens de la force gravitationnelle. Cette géométrie conduit à des conditions stables, à un gradient de température stable et n’induit pas de circulation de fluide. Le transfert de chaleur se produit uniquement par conduction thermique.

circulation naturelle - géométrie

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