Introduction générale Introduction générale
La théorie de transfert de la chaleur est une science, qui étudie la façon, dont la chaleur se propage d’une région à une autre, sous l’influence d’une différence de température. Elle a subit une étude intensive pour satisfaire les exigences des autres technologies nucléaires, solaires…etc.
Avec le développement prodigieux des techniques modernes, il est devenu indispensable à tout ingénieur, quelque soit le domaine où il sera appelé, à posséder de bonnes
connaissances des lois fondamentales de transfert thermique.
Ce phénomène est très important dans les domaines des sciences technologiques, des conceptions techniques et de l’industrie, il existe dans chaque aspect de la vie et à un grand champ d’application. C’est un processus complexe, qui est réalisé sur la base des différents modes fondamentaux à savoir : la conduction, la convection et le rayonnement.
Le mécanisme le plus important de transfert d’énergie est représenté par le mode de convection, qui s’effectue par l’action combinée de la conduction, de l’accumulation de l’énergie et du mouvement du milieu.
C’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.
Compte tenu des forces, qui produisent le mouvement du fluide, on distingue deux types de convection forcée et naturelle ou libre.
La convection naturelle dans laquelle le mouvement résulte de la variation de la masse volumique du fluide avec la température.
Dans de nombreuses applications d’ingénierie et de processus, qui se produisent naturellement, la convection naturelle joue un rôle important en tant que mécanisme dominant.
Dans les cavités confinées, ce phénomène a reçu une attention intensive ces dernières années, vue les performances thermiques de l’ingénierie et les différentes applications scientifiques telles que les chaudières, systèmes de réacteurs nucléaires, le stockage et la conservation énergétiques…etc.
Ce mode de transfert de chaleur spontané est très estimé par les ingénieurs et son champ d’application est très vaste. Par exemple, l’industrie de l’électronique doit être thermiquement commandée pour assurer leur opération correcte selon l’environnement, pour
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lequel elle est prévue : systèmes d’aéronautique, des véhicules à moteur et autres industriels dans divers secteurs. Citons également le refroidissement des réacteurs nucléaires, l'isolation passive des bateaux et d'autres applications fréquentes dans le domaine des énergies renouvelables en tant que conversion thermique d'énergie solaire.
Plusieurs configurations géométriques, plus ou moins complexes ont été
examinées sous des approches théoriques, numériques ou expérimentales et dans la présente étude, nous exposons le cas d’une cavité rectangulaire dont les paroius nverticales presentent deux ouvertures sur chaque coté en se basant sur une approche numérique. Ce type de
cavités, on les rencontre dans de nombreux domaines industriels, notamment au cours de la maintenance des équipements et composés électroniques.
Pour résoudre les problèmes de transfert thermique, on doit recourir à des méthodes numériques dans le cas où on ne peut pas les résoudre analytiquement.
Parmi ces méthodes les plus utilisées, on peut citer les différences finies, éléments finis, volumes finis…etc.
La solution numérique des équations de continuité, de quantité de mouvement et d’énergie a permis de déterminer les grandeurs caractéristiques du fluide, à savoir : les deux composantes de la vitesse, la pression et la température en chaque point de la cavité étudiée.
La détermination du transfert de chaleur et des caractéristiques des écoulements, générés par les forces d’Archimède dans les cavités est un problème, dont l’intérêt tant sur le plan fondamental qu’au niveau des applications pratiques est important. Parmi ces applications nous pouvons citer : le stockage des fluides, l’écoulement d’air dans les pièces d’habitation, dans les capteurs solaires et le refroidissement des équipements électroniques …etc.
Dans ce contexte, on a divisé notre étude en quatre chapitres .
Le premier chapitre est consacré à une étude bibliographique , le deuxième est pour but de formuler le problème en basant sur Les équations aux dérivées partielles qui régissent ce problème ainsi en introduisant les conditions aux limites imposées.
Un troisième chapitre est nécessaire pour définir les méthodes résolution ainsi le logiciel utilisé comme un moyen technique de solution qui est consacré par un quatrième chapitre interprétant les résultats trouvés.
En achevant notre travail par une conclusion générale.
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L’équilibre statique d’un fluide dans le champ de pesanteur est une situation bien moins anodine qu’il n’y paraît. Pour que cet état soit possible, les forces volumiques telles que le poids, doivent être compensées exactement par les gradients de pression, lesquels sont eux même contraints par la condition de conservation de la masse.
Il suffit de modifier localement la densité du fluide, pour briser ce fragile équilibre. Le mouvement qui résulte de cette variation de densité est appelé «convection naturelle» ou
«convection libre».
Ces phénomènes de rupture d’équilibre sont tellement présents dans la nature que trouver un fluide en équilibre statique est en fait une véritable gageure. Il faut pourtant attendre le début du XXème siècle pour que la convection soit conceptualisée et étudiée (Bénard -1901-, Rayleigh -1916-) [1].
Le transfert thermique par convection naturelle a lieu à cause des différences de densité dans un liquide ou une phase gazeuse. La différence de densité qui est la plupart du temps provoquée par la différence de la température, avec la force de gravité, crée une force de flottabilité qui crée par conséquent une différence de quantité de mouvement. Cependant, on devra mentionner que ce n’est pas n’importe quel gradient de la température qui causera le mouvement dans le fluide. En réalité, la différence de température devrait être d'une manière qui provoque l'instabilité du fluide. Il est conventionnel d’employer la différence de la température instable pour assurer le mouvement du fluide. Comme montré sur la figure I-1.
Le nombre des applications de transfert thermique dans lesquelles la convection naturelle est le phénomène dominant est grand. Une meilleure compréhension de ce phénomène augmente le nombre de ces applications et mène à un certain nombre de conceptions industrielles et environnementales sophistiquées. Pour tous les cas pratiques où la convection naturelle intervient, les coûts de fonctionnement sont importants et donc même les petites améliorations d'efficacité peuvent jouer un rôle essentiel dans la consommation d'énergie.
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