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Qu’est-ce que la convection naturelle – Transfert de chaleur – Corrélations – Définition

Convection naturelle – Transfert de chaleur – Corrélations. Le transfert de chaleur par convection naturelle s’effectue à la fois par diffusion thermique et par advection. Génie thermique

Convection naturelle – transfert de chaleur

De même que pour la convection forcée, le transfert de chaleur par convection naturelle a lieu aussi bien par diffusion thermique (mouvement aléatoire des molécules de fluide) que par advection , dans laquelle la matière ou la chaleur sont transportées par le mouvement à plus grande échelle des courants dans le fluide.  A la surface, le flux d’énergie se produit uniquement par conduction, même en convection. C’est parce qu’il y a toujours une fine couche de film fluide stagnantesur la surface de transfert de chaleur. Mais dans les couches suivantes, il se produit des mouvements de conduction et de diffusion-masse au niveau moléculaire ou au niveau macroscopique. En raison du mouvement de masse, le taux de transfert d’énergie est plus élevé. Plus la vitesse de déplacement de la masse est élevée, plus la couche de film de fluide stagnant sera fine et plus le débit de chaleur sera élevé.

 

Convection naturelle - couche limiteNous savons que la densité des gaz et des liquides dépend de la température, diminuant généralement (en raison de l’expansion du fluide) avec l’augmentation de la température.L’ampleur du transfert de chaleur par convection naturelle entre une surface et un fluide est directement liée au débit du fluide induit par la convection naturelle . Plus le débit est élevé, plus le taux de transfert de chaleur est élevé. Le débit en cas de convection naturelle est établi par l’ équilibre dynamique de la flottabilité et du frottement.

Supposons une plaque à la température paroi , qui est immergée dans un fluide au repos à la température T en vrac , où ( paroi > T en vrac ). Le fluide proche de la plaque est moins dense que le fluide qui est encore retiré. Les forces de flottabilité induisent donc une couche limite de convection naturelle dans laquelle le fluide chauffé et plus léger monte verticalement, entraînant un fluide plus lourd de la région de repos. La distribution de vitesse résultante est différente de celle associée aux couches limites de convection forcée et dépend également de la viscosité du fluide. En particulier, la vitesse est nulle à la surface ainsi queà la frontière en raison de forces visqueuses. Il faut noter qu’une convection naturelle se développe également si ( paroi T < masse T ), mais, dans ce cas, le mouvement fluide sera vers le bas.

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 ).

  1. 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.
  2. 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

Étant donné que la convection naturelle dépend fortement de la géométrie, 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.

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 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:

convection naturelle - corrélations de transfert de chaleur

Voir aussi: Nusselt Number
Voir aussi: Rayleigh Number

Exemple: Convection naturelle – Assiette plate

Une plaque verticale de 10 cm de haut est maintenue à 261 ° C dans 260 ° C d’eau comprimée (16 MPa). Déterminer le nombre de Nusselt en utilisant la corrélation simple pour une plaque plate verticale.

exemple - convection libre - équation

Pour calculer le nombre de Rayleigh, nous devons savoir:

  • le coefficient de dilatation thermique, qui est: β = 0,0022
  • le nombre de Prandtl (pour 260 ° C), qui est: Pr = 0,87
  • la viscosité cinématique (pour 260 ° C), qui est ν = 0,13 x 10 -6 (notez que cette valeur est nettement inférieure à celle de 20 ° C)

Le nombre de Rayleigh résultant est:

exemple - convection naturelle - régime d'écoulement

Le nombre de Nusselt résultant, qui représente l’amélioration du transfert de chaleur à travers une couche de fluide en raison de la convection relative à la conduction à travers la même couche de fluide est:

exemple - convection naturelle - solution

Convection forcée et naturelle combinées

convection naturelle vs convection forcéeComme 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 combinée - corrélation

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.

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Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: [email protected] ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci