I. Le phénomène de convection

La convection est un des trois modes de transfert de chaleur avec la conduction et le rayonnement. Le terme de convection fait référence aux transferts de chaleur se produisant entre une surface et un fluide en mouvement lorsque ceux-ci sont à des températures différentes. En plus du transfert d'énergie dû à la diffusion, il y a également transfert par le biais du mouvement du fluide. Ce dernier est associé au fait que de multiples molécules ont un mouvement collectif, ce qui implique un transfert de chaleur dans le cas où il existe un gradient thermique.

La contribution due au mouvement aléatoire des molécules, la diffusion, domine près de la surface où la vitesse du fluide est faible. En effet, à l'interface entre la surface et le fluide, étant donné que la vitesse du fluide est nulle, le seul mode de transfert est la diffusion. La contribution due au mouvement du fluide tient son origine du fait que la couche limite croît au fur et à mesure de l'avancée du fluide sur la surface.

Le transfert thermique par convection est divisé en deux parties suivant la nature de l'écoulement :

 

Les deux modes de transfert de chaleur par convection

 

Pour mesurer l'intensité du transfert thermique dans le fluide dû à ses mouvements et pour caractériser l'échange thermique entre le fluide et la paroi, on utilise le nombre de Nusselt.

Le nombre de Nusselt représente le gradient thermique adimensionné à la paroi :

$$Nu=\left (\frac {\partial T^+} {\partial y^+}\right )_{paroi}= \frac {h  x} {\lambda_{fluide}}$$

 

nombre de Reynolds :  $Re=\frac {U  L}{\nu}$

nombre de Prandtl :  $Pr=\frac {\nu}{\alpha}$

nombre de Grashof :  $Gr=\frac{g  \beta  \Delta T  L^3}{\nu^2}$

avec :

$U$ : vitesse caractéristique $(m/s)$

$L$ : longueur caractéristique $(m)$

$\nu$ : viscosité cinématique $(m^2/s)$

$\alpha$ : diffusivité thermique $(m^2/s)$

$g$ : accélération de la pesanteur $(m/s^2)$

$\beta$ : coefficient de dilatation thermique $(K^{-1})$