{"id":43802,"date":"2019-10-13T20:55:30","date_gmt":"2019-10-13T19:55:30","guid":{"rendered":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/quest-ce-que-la-convection-naturelle-transfert-de-chaleur-correlations-definition\/"},"modified":"2020-02-17T08:33:17","modified_gmt":"2020-02-17T07:33:17","slug":"quest-ce-que-la-convection-naturelle-transfert-de-chaleur-correlations-definition","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/fr\/quest-ce-que-la-convection-naturelle-transfert-de-chaleur-correlations-definition\/","title":{"rendered":"Qu’est-ce que la convection naturelle – Transfert de chaleur – Corr\u00e9lations – D\u00e9finition"},"content":{"rendered":"
\n
Convection naturelle – Transfert de chaleur – Corr\u00e9lations.\u00a0Le transfert de chaleur par convection naturelle s’effectue \u00e0 la fois par diffusion thermique et par advection.\u00a0G\u00e9nie thermique<\/div>\n<\/div>\n
<\/div>\n
\n
\n
<\/div>\n

Convection naturelle – transfert de chaleur<\/h2>\n

De m\u00eame que pour la convection forc\u00e9e,\u00a0le transfert de chaleur par convection naturelle a<\/strong>\u00a0lieu aussi bien\u00a0par\u00a0<\/strong>diffusion thermique<\/strong>\u00a0(mouvement al\u00e9atoire des mol\u00e9cules de fluide) que\u00a0par advection<\/strong>\u00a0, dans laquelle la mati\u00e8re ou la chaleur sont transport\u00e9es par le mouvement \u00e0 plus grande \u00e9chelle des courants dans le fluide.\u00a0\u00a0A la surface,<\/strong>\u00a0le flux d’\u00e9nergie se produit\u00a0uniquement par conduction,<\/strong>\u00a0m\u00eame en convection.\u00a0C\u2019est parce qu\u2019il y a toujours une\u00a0fine couche de film fluide stagnante<\/strong>sur la surface de transfert de chaleur. Mais dans les couches suivantes, il se produit des mouvements de conduction et de diffusion-masse au niveau mol\u00e9culaire ou au niveau macroscopique. En raison du mouvement de masse, le taux de transfert d’\u00e9nergie est plus \u00e9lev\u00e9. Plus la vitesse de d\u00e9placement de la masse est \u00e9lev\u00e9e, plus la couche de film de fluide stagnant sera fine et plus le d\u00e9bit de chaleur sera \u00e9lev\u00e9.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

 <\/p>\n

\n
\n
<\/div>\n

\"Convection<\/a>Nous savons que la densit\u00e9 des gaz et des liquides d\u00e9pend de la temp\u00e9rature, diminuant g\u00e9n\u00e9ralement (en raison de l’expansion du fluide) avec l’augmentation de la temp\u00e9rature.<\/span>L’ampleur du transfert de chaleur par convection naturelle entre une surface et un fluide est directement li\u00e9e au d\u00e9bit du fluide induit par\u00a0<\/span>la convection naturelle<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0Plus le d\u00e9bit est \u00e9lev\u00e9, plus le taux de transfert de chaleur est \u00e9lev\u00e9.\u00a0Le d\u00e9bit en cas de convection naturelle est \u00e9tabli par l’\u00a0<\/span>\u00e9quilibre dynamique<\/span><\/strong>\u00a0de la flottabilit\u00e9 et du frottement.<\/span><\/p>\n

Supposons une plaque \u00e0 la temp\u00e9rature\u00a0<\/span>T\u00a0<\/span>paroi<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0, qui est immerg\u00e9e dans un fluide au repos \u00e0 la temp\u00e9rature\u00a0<\/span>T en\u00a0<\/span>vrac<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0, o\u00f9 (\u00a0<\/span>T\u00a0<\/span>paroi<\/span><\/sub>\u00a0> T en\u00a0<\/span>vrac<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0).\u00a0Le fluide proche de la plaque est moins dense que le fluide qui est encore retir\u00e9.\u00a0<\/span>Les forces de flottabilit\u00e9<\/span><\/strong>\u00a0induisent donc une couche limite de convection naturelle dans laquelle le fluide chauff\u00e9 et plus l\u00e9ger monte verticalement, entra\u00eenant un fluide plus lourd de la r\u00e9gion de repos.\u00a0La distribution de vitesse r\u00e9sultante est diff\u00e9rente de celle associ\u00e9e aux couches limites de convection forc\u00e9e et d\u00e9pend \u00e9galement de la viscosit\u00e9 du fluide.\u00a0En particulier, la\u00a0<\/span>vitesse<\/span><\/strong>\u00a0est\u00a0<\/span>nulle\u00a0<\/span><\/strong>\u00e0 la surface<\/span><\/strong>\u00a0ainsi que<\/span>\u00e0 la fronti\u00e8re en<\/span><\/strong>\u00a0raison de forces visqueuses.\u00a0Il faut noter qu’une convection naturelle se d\u00e9veloppe \u00e9galement si (\u00a0<\/span>paroi<\/span><\/sub>\u00a0T\u00a0<\u00a0<\/span>masse<\/span><\/sub>\u00a0T\u00a0), mais, dans ce cas, le mouvement fluide sera vers le bas.<\/span><\/p>\n

La pr\u00e9sence et l’ampleur de la convection naturelle d\u00e9pendent \u00e9galement de la\u00a0<\/span>g\u00e9om\u00e9trie<\/span><\/strong>\u00a0du probl\u00e8me.\u00a0La pr\u00e9sence d’un gradient de densit\u00e9 de fluide dans un champ gravitationnel ne garantit pas l’existence de courants de convection naturels.\u00a0Ce probl\u00e8me est illustr\u00e9 dans la figure suivante, o\u00f9 un fluide est enferm\u00e9 par deux grandes plaques horizontales de temp\u00e9rature diff\u00e9rente (T\u00a0<\/span>sup\u00e9rieur<\/span><\/sub>\u00a0\u2260 T\u00a0<\/span>inf\u00e9rieur<\/span><\/sub>\u00a0).<\/span><\/p>\n

    \n
  1. Dans le\u00a0<\/span>cas A,<\/span><\/strong>\u00a0la temp\u00e9rature de la plaque inf\u00e9rieure est sup\u00e9rieure \u00e0 la temp\u00e9rature de la plaque sup\u00e9rieure.\u00a0Dans ce cas, la densit\u00e9 diminue dans le sens de la force gravitationnelle.\u00a0Cette g\u00e9om\u00e9trie induit la circulation des fluides et le transfert de chaleur se fait via la circulation naturelle.\u00a0Le fluide plus lourd descendra, \u00e9tant r\u00e9chauff\u00e9 dans le processus, tandis que le fluide plus l\u00e9ger augmentera, se refroidissant en se d\u00e9pla\u00e7ant.<\/span><\/li>\n
  2. Dans le\u00a0<\/span>cas B,<\/span><\/strong>\u00a0la temp\u00e9rature de la plaque inf\u00e9rieure est inf\u00e9rieure \u00e0 la temp\u00e9rature de la plaque sup\u00e9rieure.\u00a0Dans ce cas, la densit\u00e9 augmente dans le sens de la force gravitationnelle.\u00a0Cette g\u00e9om\u00e9trie conduit \u00e0 des conditions stables, \u00e0 un gradient de temp\u00e9rature stable et\u00a0<\/span>n’induit pas de circulation de fluide<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0Le transfert de chaleur se produit uniquement par\u00a0<\/span>conduction thermique<\/span><\/a>\u00a0.<\/span><\/li>\n<\/ol>\n

    \"circulation<\/a><\/p>\n

    \u00c9tant donn\u00e9 que la\u00a0<\/span>convection naturelle<\/span><\/strong>\u00a0d\u00e9pend fortement de la g\u00e9om\u00e9trie, la plupart des corr\u00e9lations de transfert de chaleur en convection naturelle sont bas\u00e9es sur des mesures exp\u00e9rimentales et les ing\u00e9nieurs utilisent souvent des\u00a0<\/span>nombres caract\u00e9ristiques<\/span><\/a>\u00a0appropri\u00e9s\u00a0pour d\u00e9crire le transfert de chaleur par convection naturelle.<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

    \n
    \n
    <\/div>\n

    Convection naturelle – Corr\u00e9lations<\/span><\/h2>\n

    Comme il a \u00e9t\u00e9 \u00e9crit, la plupart\u00a0<\/span>des corr\u00e9lations de transfert de chaleur<\/span><\/strong>\u00a0en\u00a0<\/span>convection naturelle<\/span><\/strong>\u00a0sont bas\u00e9es sur des mesures exp\u00e9rimentales et les ing\u00e9nieurs utilisent souvent des\u00a0<\/span>nombres caract\u00e9ristiques<\/span><\/a>\u00a0appropri\u00e9s\u00a0pour d\u00e9crire le transfert de chaleur par convection naturelle.\u00a0Le nombre caract\u00e9ristique qui d\u00e9crit\u00a0<\/span>le transfert de chaleur par convection<\/span><\/a>\u00a0(c’est-\u00e0-dire le\u00a0<\/span>coefficient de transfert de chaleur<\/span><\/a>\u00a0) est le\u00a0<\/span>nombre de Nusselt<\/span><\/strong><\/a>\u00a0, qui est d\u00e9fini comme le rapport de l’\u00a0<\/span>\u00e9nergie thermique convect\u00e9e<\/span><\/strong>\u00a0au fluide \u00e0 l’\u00a0<\/span>\u00e9nergie thermique conduite<\/span><\/strong>\u00a0dans le fluide.\u00a0Le\u00a0<\/span>nombre de Nusselt<\/span><\/strong>\u00a0repr\u00e9sente l’am\u00e9lioration du transfert de chaleur \u00e0 travers une couche fluide \u00e0 la suite de la\u00a0<\/span>convection relative \u00e0 la conduction<\/span><\/strong>\u00e0 travers la m\u00eame couche fluide.\u00a0Mais en cas de convection libre, les corr\u00e9lations de transfert de chaleur (pour le nombre de Nusselt) sont g\u00e9n\u00e9ralement exprim\u00e9es en termes de\u00a0<\/span>nombre de Rayleigh<\/span><\/a>\u00a0.<\/span><\/strong><\/p>\n

    Le\u00a0<\/span>nombre de Rayleigh<\/span><\/strong>\u00a0est utilis\u00e9 pour exprimer le transfert de chaleur en convection naturelle.\u00a0L’amplitude du nombre de Rayleigh est une bonne indication pour savoir si la couche limite de convection naturelle est laminaire ou turbulente.\u00a0Les corr\u00e9lations empiriques simples pour le nombre moyen de Nusselt, Nu, en convection naturelle sont de la forme:<\/span><\/p>\n

    Nu\u00a0<\/span>x<\/span><\/sub>\u00a0= C. Ra\u00a0<\/span>x\u00a0<\/span><\/sub>n<\/span><\/sup><\/strong><\/p>\n

    Les valeurs des\u00a0<\/span>constantes C<\/span><\/strong>\u00a0et\u00a0<\/span>n<\/span><\/strong>\u00a0d\u00e9pendent de la g\u00e9om\u00e9trie de la surface et du\u00a0<\/span>r\u00e9gime d’\u00e9coulement<\/span><\/a>\u00a0, qui est caract\u00e9ris\u00e9 par la plage du\u00a0<\/span>nombre de Rayleigh<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0La valeur de n est g\u00e9n\u00e9ralement\u00a0<\/span>n = 1\/4<\/span><\/strong>\u00a0pour\u00a0<\/span>un \u00e9coulement laminaire<\/span><\/strong><\/a>\u00a0et\u00a0<\/span>n = 1\/3<\/span><\/strong>\u00a0pour\u00a0<\/span>un \u00e9coulement turbulent<\/span><\/strong><\/a>\u00a0.<\/span><\/p>\n

    Par exemple:<\/span><\/p>\n

    \"convection<\/a><\/p>\n

    Voir aussi:\u00a0<\/span>Nusselt Number<\/span><\/a>
    \nVoir aussi:\u00a0<\/span>    Rayleigh Number<\/span><\/a><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

    \n
    \n
    <\/div>\n

    Exemple: Convection naturelle – Assiette plate<\/span><\/h2>\n

    Une plaque verticale de 10 cm de haut est maintenue \u00e0 261 \u00b0 C dans 260 \u00b0 C d’eau comprim\u00e9e (16 MPa).\u00a0D\u00e9terminer le\u00a0<\/span>nombre de Nusselt en<\/span><\/strong>\u00a0utilisant la corr\u00e9lation simple pour une plaque plate verticale.<\/span><\/p>\n

    \"exemple<\/a><\/p>\n

    Pour calculer le nombre de Rayleigh, nous devons savoir:<\/span><\/p>\n