Convection
La convection est un transfert de chaleur dû à la fois à la conduction et à un transport d'enthalpie. On parle de :
- convection naturelle lorsque la mise en mouvement du fluide est provoquée par une hétérogénéité de masse volumique dans un champ de forces de volume (pesanteur, force centrifuge, force de Coriolis)
- convection forcée lorsque la mise en mouvement du fluide est provoquée par un moyen extérieur (ventilateur, pompe, ...)
| Sommaire |
La convection naturelle
La convection naturelle est un phénomène de la mécanique des fluides, qui se produit lorsqu'une zone change de température et qu'elle se déplace alors verticalement sous l'effet de la poussée d'Archimède. Le changement de température d'un fluide influe en effet sur sa masse volumique, qui se trouve modifiée par rapport à la masse volumique du fluide environnant.
De tels déplacement s'appellent des mouvements de convection. Ils sont à l'origine de certains phénomènes océanographiques (courants marins), météorologiques (orages), géologiques (remontées de magma) par exemple.
Dans l'atmosphère
La convection est un phénomène fréquent dans l'atmosphère terrestre. Elle peut être déclenchée par un réchauffement du sol par le soleil, par le mouvement d'une masse d'air froid au-dessus d'un plan d'eau relativement chaude, ou par d'autres phénomènes qui provoquent le réchauffement relatif du bas d'une couche atmosphérique par rapport à son sommet.
On donne à la classe des nuages d'origine convective le nom générique de cumulus.
Sous sa forme bénigne, la convection peut donner aux planeurs et autres aéronefs non motorisés la poussée ascendante dont ils ont besoin pour se maintenir en vol. Les montgolfières utilisent aussi la convection comme moyen de sustentation, en emprisonnant une quantité d'air chaud (moins dense que l'air environnant) à l'intérieur d'un ballon.
Le mouvement convectif ascendant s'accompagne du mouvement descendant d'un volume correspondant d'air plus dense (plus froid). La masse de l'air descendant est supérieure à celle de l'air ascendant; il y a donc une baisse du centre de gravité du système. Cette baisse du centre de gravité est interprétable comme une conversion d'énergie potentielle gravitationelle, en énergie cinétique. De plus, lorsque l'air en ascendance contient suffisamment de vapeur d'eau, celle-ci en se condensant libère sa chaleur latente, ce qui augmente le contraste thermique et la poussée convective. Les quantités d'énergie impliquées dans cette conversion peuvent être très considérables et se traduire par de forts coups de vent, des tornades, de la grêle, et de la foudre.
Voir aussi
Convection forcée
Le transfert de chaleur se fait en convection forcée lorsqu'un fluide est mis en mouvement autour d'une structure à une température (éventuellement non uniforme) différente de celle du fluide par un moyen externe (pompe, turbine …).
Expression du flux de chaleur en convection
Pour un écoulement à une température 
autour d'une structure à une température uniforme TS de surface S, l'expression du flux de chaleur en convection est la suivante :
Où h est le coefficient d'échange thermique
Résolution du problème
L'analyse dimensionnelle permet de montrer que, en convection forcée, le nombre de Nusselt s'exprime en fonction du nombre de Reynolds et du nombre de Prandtl.
, Nusselt local à une abscisse x
, Nusselt moyen sur une longueur L
Où C, m et n dépendent des caractéristiques du fluide, de la géométrie et du régime d'écoulement.
L'ingénieur a alors recourt à une série de formules empiriques établies sur des configurations typiques (plaque plane, écoulement autour d'un cylindre ...) afin d'en déduire le coefficient d'échange thermique.