Températures et vitesses

Couche limite :

Les couches limites sont les couches périphériques d'un fluide (gaz ou liquide) sur lesquelles la paroi a une influence. Les couches périphériques sont des zones localisées. Dans le cas de la convection, on fait la distinction entre les couche limites de température et de vitesse.

Couche limite de température :

La convection est un échange de chaleur entre une surface et le fluide qui l’entoure. Cet échange de chaleur peut être perçu comme une différence de température. Pour qu'il y ait convection, il doit y avoir une différence de température entre la surface et le fluide qui l’entoure.

La couche limite de température est la zone comprise entre la température ambiante et la surface d’un corps. L'épaisseur de la couche limite peut varier. Elle est plus ou moins prononcée en fonction de l'emplacement et de la géométrie du corps, ainsi que de la vitesse d'écoulement.

Couche limite de vitesse :

La vitesse d'un fluide autour d'un corps dépend de nombreux facteurs. La première couche, qui mouille la surface du corps, constitue cependant une caractéristique commune indépendante.

Cette première couche du fluide est soumise à ce que l’on appelle la condiction d'adhérence . Le fluide est ici pratiquement immobile à la surface. C'est la raison pour laquelle, on ne peut pas par exemple dépoussiérer des verres de lunettes en soufflant dessus.
En effet, les autres couches glissent parallèlement sur cette couche adhérente.

L'épaisseur de la couche limite est atteinte partout où on est en présence d’une vitesse d'écoulement non perturbée à 99%. Cet état non perturbé se trouve à une distance suffisante de la surface contournée par l’écoulement.

Convection libre :

L'influence de la paroi contournée par l’écoulement lors de la convection libre dépend uniquement de la chaleur introduite et du fluide qui monte sous l’effet de cette chaleur. Le fluide s'écoule toujours vers le haut sous l’effet de la variation de densité (l'eau à une température de 0...4°C constitue une exception).

La chaleur est transférée perpendiculairement à la paroi par conduction thermique à travers les couches.

L’image montre une plaque verticale qui, à une température de surface augmentée (TW) dissipe de la chaleur dans l'environnement (Tamb) abgibt.

Sur la droite de l'image se trouvent des sections agrandies de la partie supérieure et de la partie inférieure.
On y voit la distribution de température (à gauche) et la distribution de la vitesse à la surface.

Convection forcée :

Étant donné que la vitesse d'écoulement en convection forcée est générée par un dispositif technique (p. ex. un ventilateur), le corps exothermique est soumis à une vitesse d'écoulement uniforme.

La condition d'adhérence a pour effet de freiner entièrement le fluide à la surface. En raison de la vitesse plus élevée de l'écoulement, la chute de vitesse dans le fluide à proximité de la paroi est beaucoup plus importante que dans le cas de la convection libre.

Les couches qui s'écoulent vers l’extérieur dissipent dans le même temps de la chaleur. Cela crée également un plus grand gradient de température à proximité de la paroi, ce qui se traduit par un effort d’équilibrage de la chaleur plus élevé. Le transfert de chaleur convectif augmente.

La qualité du transfert de chaleur convectif d'une surface dépend des couches limites, de la géométrie donnée mais aussi du fluide. On retrouve ces influences dans deux grandeurs :

Le coefficient de transfert de chaleur « Alpha » :
Il indique l'importance du flux thermique transféré en fonction de la surface et de la différence de température.

Le nombre de Nusselt Nu :
il est sans dimension et indique l'amélioration du transfert de chaleur par rapport à la conduction thermique pure du fluide immobile.

Les deux paramètres sont liés par la taille de la géométrie concernée.