Combinaison forcée et naturelle
Comme il a été écrit, la convection a lieu par advection, diffusion ou les deux. Dans les chapitres précédents, nous avons envisagé le transfert par convection dans les écoulements de fluide provenant d’une condition de forçage externe – 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 d’écoulement dans lesquels nous devons prendre en compte les deux mécanismes de forçage . Lorsque la vitesse d’écoulement est basse, la convection naturelle contribue également à la convection forcée. Que la convection libre soit significative ou non pour le transfert de chaleur, vous pouvez la vérifier en utilisant les critères suivants:
- Si Gr / Re 2 >> 1 la 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, en fonction des directions relatives des mouvements induits par la flottabilité et de la convection forcée. Trois cas spéciaux étudiés de manière approfondie correspondent à des mouvements forcés et induits par la flottabilité:
- Flux d’aide . Le mouvement de flottabilité va dans le même sens que le mouvement forcé.
- Flux opposé . Le mouvement de flottabilité va dans le sens opposé au mouvement forcé.
- Flux transversal . Le mouvement de flottabilité est perpendiculaire au mouvement forcé.
Il est évident que la flottabilité améliore le taux de transfert de chaleur associé à la convection forcée pure. Par contre, dans les 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 pour aider les flux et de les soustraire pour 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.
Convection naturelle – Corrélations
Comme il a été écrit, la plupart des corrélations de transfert de chaleur en convection naturelle sont basées sur des mesures expérimentales et les ingénieurs utilisent souvent des nombres caractéristiques appropriés pour décrire le transfert de chaleur par convection naturelle. Le nombre caractéristique qui décrit le transfert de chaleur par convection (c’est-à-dire le coefficient de transfert de chaleur ) est le nombre de Nusselt , qui est défini comme le rapport de l’ énergie thermique convectée au fluide à l’ énergie thermique conduite dans le fluide. Le nombre de Nusselt représente l’amélioration du transfert de chaleur à travers une couche fluide à la suite de la convection relative à la conductionà travers la même couche fluide. Mais en cas de convection libre, les corrélations de transfert de chaleur (pour le nombre de Nusselt) sont généralement exprimées en termes de nombre de Rayleigh .
Le nombre de Rayleigh est utilisé pour exprimer le transfert de chaleur en convection naturelle. L’amplitude du nombre de Rayleigh est une bonne indication pour savoir si la couche limite de convection naturelle est laminaire ou turbulente. Les corrélations empiriques simples pour le nombre moyen de Nusselt, Nu, en convection naturelle sont de la forme:
Nu x = C. Ra x n
Les valeurs des constantes C et n dépendent de la géométrie de la surface et du régime d’écoulement , qui est caractérisé par la plage du nombre de Rayleigh . La valeur de n est généralement n = 1/4 pour un écoulement laminaire et n = 1/3 pour un écoulement turbulent .
Par exemple:
Voir aussi: Nusselt Number
Voir aussi: Rayleigh Number
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