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Le nombre de Nusselt est un nombre adimensionnel utilisé pour caractériser le type de transfert thermique entre un fluide et une paroi. Il met en rapport le transfert par convection par rapport au transfert par conduction. Il est d'autant plus élevé que la convection prédomine sur la conduction[1].
Déterminer le nombre de Nusselt permet de calculer le coefficient de convection thermique à l'aide d'une corrélation, généralement obtenue expérimentalement, qui le lie
Le nombre de Nusselt local est défini de la manière suivante :
avec :
La longueur caractéristique dépend de la géométrie de la surface d'échange. Par exemple :
Le nombre de Nusselt local peut également s'écrire sous la forme d'un gradient de température adimensionné à la paroi.
En posant et , on obtient à partir de l'équation de définition du coefficient de transfert :
avec la température du fluide en une position donnée, la température de surface de la paroi et la température du fluide à grande distance de la paroi.
Le nombre de Nusselt global permet de calculer le coefficient de convection moyen sur la totalité de la surface. Il s'exprime :
où de sorte que le flux thermique soit .
L'application du théorème de Buckingham[2] à un problème de convection forcée, pour un écoulement établi en vitesse et en température avec un fluide dont les propriétés thermomécaniques sont constantes, fait apparaître trois groupements ou nombres sans dimension en relation sous la forme suivante :
avec :
où
Cette somme représente une fonction , nommée corrélation car elle ne peut être, le plus souvent, précisée que par l'expérience. Dans ce cas, la forme prise par la corrélation peut être différente de l'expression simple proposée plus haut. De façon générale toutefois, la littérature scientifique fournit des fonctions selon les différentes conditions étudiées :
L'objectif est, en général, de déterminer le nombre de Nusselt afin d'en déduire le coefficient de transfert thermique local ou global par convection.
Les corrélations sont très nombreuses et il est difficile d'en dresser une liste exhaustive ; en voici néanmoins quelques exemples.
Géométrie | Corrélation | Conditions | |
---|---|---|---|
Écoulement parallèle à une surface plane isotherme
est l'abscisse en prenant le bord d'attaque comme origine |
[3] (local)
(moyen entre 0 et ) |
Écoulement laminaire et | |
[4] | Écoulement turbulent et | ||
Écoulement perpendiculaire à un cylindre isotherme | Hilpert[5] :
|
et | |
et | |||
et | |||
et | |||
et | |||
Écoulement dans un tube de paroi isotherme | [6],[7] | Région thermique pleinement développée :
[8]. | |
Écoulement dans un tube à densité de flux thermique pariétal constant | [6],[7] |
Pour l'étude de la convection naturelle, le nombre de Reynolds n'a pas de sens puisque le fluide est au repos à distance de la paroi. Le nombre de Grashof est utilisé à sa place :
où :
Le nombre de Rayleigh lui est associé par : .
Dans les cas les plus simples la corrélation prend la forme . mais de façon plus générale on pourra rencontrer des fonctions plus sophistiquées :
Quelques exemples sont proposés dans le tableau qui suit. Un recueil plus important est fourni en boite déroulante plus loin.
Géométrie | Corrélation | Conditions | |
---|---|---|---|
Surface plane verticale isotherme
est l'abscisse en prenant le bord d'attaque comme origine (en bas pour une paroi chaude, en haut pour une paroi froide) |
et [9],[10] | Écoulement laminaire
| |
et [9],[10] | Écoulement turbulent
| ||
Résultats obtenus analytiquement[11],[12]
|
Écoulement laminaire
| ||
Cylindre horizontal | Morgan[13],[14] :
|
et | |
et | |||
et | |||
et | |||
et |
Corrélation | Conditions | |
---|---|---|
Surface plane verticale isotherme | ||
: température de la paroi isotherme.
: hauteur de la paroi. : abscisse en prenant le bord d'attaque comme origine (en bas pour une paroi chaude, en haut pour une paroi froide). Les propriétés thermophysiques du fluide sont évaluées à une température . : nombre de Nusselt local à l'abscisse . : nombre de Nusselt moyen entre le bord d'attaque et l'abscisse . : nombre de Nusselt moyen sur la hauteur de la paroi. | ||
et [9],[10] | Écoulement laminaire
| |
et [9],[10] | Écoulement turbulent
| |
Résultats obtenus analytiquement[11],[12]
|
Écoulement laminaire
| |
Churchill et Chu[9],[15],[16],[17]
est pratiquement uniforme en régime turbulent[17]. |
Pour tous types d'écoulements
| |
Churchill et Chu[9],[16],[17]
|
Écoulement laminaire
| |
Surface plane verticale à flux thermique constant | ||
: densité de flux thermique en n'importe quel point de la surface.
: nombre de Grashof modifié. | ||
Sparrow et Gregg, Vliet et Liu, Vliet[16]
|
Écoulement laminaire
| |
Sparrow et Gregg, Vliet et Liu, Vliet[16]
|
Écoulement laminaire
| |
Churchill et Chu[9],[15],[16],[17]
Bonne approximation localement[17]
|
Pour tout type d'écoulement
| |
Surface plane inclinée à température constante : surface chaude vers le bas ou surface froide vers le haut | ||
L'inclinaison de la surface d'échange est caractérisée par l'angle pris entre la verticale et la surface ; il est positif si la surface chaude est orienté vers le bas et négatif dans les cas contraires.
En régime laminaire et dans les cas d'une surface chaude orientée vers le bas ou d'une surface froide orientée vers le haut, les relations précédentes, utilisables dans le cas d'une surface plane verticale, sont applicables à condition de remplacer par . | ||
La corrélation de Churchill et Chu reste valable[18] dans certaines conditions :
|
remplacé par pour le calcul de .
pour | |
Pour les faibles inclinaisons[18] :
|
calculé à partir de et non .
pour pour | |
Surface plane inclinée à température constante : surface chaude vers le haut ou surface froide vers le bas | ||
La couche limite est plus instable dans ces conditions, il est plus fréquent d'avoir recours à des corrélations expérimentales. | ||
La corrélation de Churchill et Chu reste valable[18] dans certaines conditions :
|
remplacé par pour le calcul de .
pour | |
Raithby et Hollands[18] :
|
et Pour les gaz si est grand, Clausing et Berton :
si | |
Surface plane inclinée à densité de flux constante : surface chaude vers le bas ou surface froide vers le haut | ||
[19] | et | |
Pour les faibles inclinaisons[19] :
|
calculé à partir de et non .
et | |
Surface plane horizontale isotherme : surface chaude vers le haut ou surface froide vers le bas | ||
Certaines corrélation préconisent l'utilisation de comme: longueur caractéristique, rapport de la surface sur le périmètre[19],[20]. D'autre simplement la longueur .
Les propriétés thermophysiques du fluide sont évaluées à une température si la température de la surface d'échange peut être considérée constante. | ||
et [21],[20],[10] | Ecoulement laminaire | |
et [22] | et | |
Surface plane horizontale isotherme : surface chaude vers le haut ou surface froide vers le bas | ||
et [21],[20],[22] | Ecoulement laminaire | |
et [21] | Ecoulement turbulent | |
Raithby et Hollands[23] :
|
et [23]Pour les gaz si est grand, Clausing et Berton[23] :
si | |
Raithby et Hollands[23] :
Si une correction est proposée :
|
||
Surface plane horizontale à densité de flux constant : surface chaude vers le bas ou surface froide vers le haut | ||
et [21] | ||
Surface plane horizontale à densité de flux constant : surface chaude vers le haut ou surface froide vers le bas | ||
et [21] | ||
et [21] | ||
Cylindre horizontal isotherme | ||
Morgan[13],[14] :
|
et | |
et | ||
et | ||
et | ||
et | ||
Churchill et Chu[24] :
|
||
Pour une plus large gamme d'utilisations[24],[25],[26],[14] :
|
[25] | |
Cylindre vertical isotherme | ||
[26] | ||
Il est possible d'utiliser les mêmes corrélations que pour une surface plane isotherme, le coefficient de convection est obtenu par l'intermédiaire d'un facteur correcteur de sorte que[25],[27] :
est le rayon du cylindre, son diamètre et sa longueur. | ||
Sphère isotherme | ||
Yuge[27],[28] :
|
Dans un gaz et | |
Autre corrélation pour tous types de fluides[26],[27],[29] :
|
et |
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