La convection est l'ensemble des mouvements internes (verticaux ou horizontaux) qui animent un fluide en impliquant le transport de propriétés des particules de ce fluide au cours de son déplacement. Elle peut être due à des différences de température, une agitation mécanique, un pompage
Il s'agit d'un mode de transport, au sein d'un fluide ou lors d'un échange entre une surface et un fluide mobile, d'une grandeur physique, par exemple la température ou la composition chimique. Ce transport s'opère par le mouvement d'ensemble des molécules du fluide d'un point à un autre. La convection constitue notamment, avec la conduction thermique et le transfert radiatif, l'un des trois modes d'échange de chaleur entre deux systèmes, et diffère de ces derniers par la méthode de transport. Elle a aussi pour effet d'accélérer l'homogénéisation de la composition chimique du fluide, par rapport à la seule diffusion chimique.
Ce phénomène physique très courant se produit dans de nombreux systèmes (casserole, circuits de chauffages, atmosphère, manteau terrestre, étoiles). Lors du processus de convection, un accroissement de vitesse du fluide favorise aussi les possibilités de transformation d'un écoulement laminaire en écoulement turbulent, générant alors une convection turbulente qui accélère considérablement les échanges de propriétés entre couches voisines du fluide et en particulier la diffusion de la chaleur au sein de celui-ci.
Un exemple de convection est celui du chauffage de l'eau dans une casserole. Les groupes de particules de fluide en contact avec le fond de la casserole sont chauffés (par conduction). Ils se dilatent, donc deviennent moins denses (cf. masse volumique) et se mettent en mouvement spontané vers le haut, car la poussée d'Archimède qui s'exerce sur eux devient prépondérante par rapport à leur poids. Les groupes de particules de la surface de la casserole sont refroidis par contact avec l'air ambiant, se contractent et gagnent en densité, puis plongent. Le transfert thermique que la convection engendre est plus efficace que celui de la conduction thermique ou du transfert radiatif.
Définitions La convection est le mouvement interne d'un fluide sous l'effet de la différence de température, de salinité ou d'une autre caractéristique entre deux endroits.. Elle peut être induite naturellement ou forcée. Il faut la différencier de l'advection, qui est le processus de transport d'une propriété du fluide (telle que l'énergie ou la salinité) par son mouvement d'ensemble, comme le vent ou un courant..
Convection naturelle vignette|Convection naturelle. La convection naturelle est un phénomène de la mécanique des fluides, qui se produit lorsqu'un gradient induit un mouvement dans le fluide. Le gradient peut concerner différentes grandeurs intensives telles que la température (« convection thermique »), la concentration d'un soluté (« convection solutale ») ou la tension superficielle (« convection thermo-capillaire »). La masse volumique dépendant de la température (et, le cas échéant, de la concentration), un gradient de température ou de concentration engendre des différences de masse volumique au sein du fluide, d'où résultent des variations latérales de la poussée d'Archimède qui sont à l'origine du mouvement. De tels déplacements 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.
La convection thermique n'est pas le seul moyen de créer des mouvements verticaux dans des fluides. Ceux-ci vont se stratifier selon leur densité, à température uniforme, par l'effet de la gravité. Cette convection gravitationnelle se déroule comme la convection thermique avec les zones du fluide plus denses descendant et les parties moins denses poussées vers le haut. Cependant, il n'y a pas de variation de températures dans ces échanges. On peut citer la diffusion de la salinité dans une couche isothermale ou le déplacement du sel vers le bas dans une terre humide..
La convection naturelle est utilisée dans les chauffe-eau solaire à thermosiphon.
Convection forcée La convection forcée est provoquée par une circulation artificielle (pompe, turbine, ventilateur) d'un fluide. Le transfert est plus rapide que dans le cas de convection naturelle. Voici quelques exemples de convection forcée dans des appareillages : chauffage central avec accélérateur, chauffages électriques avec soufflerie, chauffe-eau solaire à circulation forcée et four à convection de cuisinière. Le corps humain a son propre système de convection forcée, la circulation sanguine.
Dans un environnement à microgravité comme dans l'espace, la convection naturelle n'est pas possible puisque la poussée d'Archimède s'exerce par la différence de force gravitationnelle sur des volumes de densités différentes. Ainsi la circulation de la chaleur doit être forcée dans une capsule spatiale. Une flamme aurait également de la difficulté à exister car les gaz de combustion resteraient près de la flamme, la coupant de l'apport d'oxygène. Il faut pour l'entretenir une circulation forcée pour éloigner ces gaz et amener l'oxygène..
Principe physique Une particule de fluide chauffée à la base devient moins dense du fait de sa dilatation thermique et remonte sous l'action de la poussée d'Archimède. Arrivée au sommet de la couche, le fluide échange sa chaleur, se refroidit et s'alourdit. Il redescend alors et crée un transfert retour de chaleur. La première approche physique a été mise en place par Henri Bénard, avec l'étude de la convection dans une couche de fluide soumise à un gradient de température vertical. Ces expériences sont connues sous le nom de cellules de Bénard.
Convection de Rayleigh-Bénard vignette|Description du cycle convectif naturel. Les cellules de Bénard sont le cas d'école étudié expérimentalement par Henri Bénard et modélisé par Lord RayleighIl s'est avéré plus tard que la modélisation de Rayleigh ne s'appliquait pas correctement aux conditions expérimentales de Bénard, dans lesquelles dominait l'effet Marangoni.. On considère ici un système simple et on suppose un fluide newtonien, incompressible, dans l'approximation de Boussinesq, c'est-à-dire que la seule propriété physique qui change est la masse volumique. Cette configuration est un problème classique d'instabilité thermoconvective aussi appelé instabilité de Rayleigh-Bénard.
Équations de conservation en jeu : conservation de la masse : , où désigne le vecteur vitesse ; conservation de la quantité de mouvement ; conservation de l'énergie.
Démarrage de la convection
Le transfert thermique dans une couche de fluide horizontale s'effectue par conduction thermique et, éventuellement, par le mouvement de parcelles de fluide de températures différentes. Quand on impose une différence de température entre les deux faces de la couche, un gradient de masse volumique s'installe. Expérimentalement, on observe que le fluide se met en mouvement spontanément si la différence de température est suffisante. Le seuil à partir duquel la convection se produit est déterminé par une valeur critique d'un nombre sans dimension appelé nombre de Rayleigh et noté Ra :
avec : : la masse volumique du fluide, en kilogrammes par mètre cube (kg/m, kg m) ; : la force de gravité, en mètres par seconde carrée (m/s, m s) ; : le coefficient d'expansion thermique, en kelvins à la puissance moins un (K) ; : la différence de température entre le haut et le bas de la couche, en kelvin (K) ; : la diffusivité thermique, en mètres carrés par seconde (, m s) ; : la viscosité dynamique du fluide, en pascals secondes (Pa s) ; : l'épaisseur de la couche, en mètres (m). (À noter que ces valeurs peuvent être variables dans le fluide : il est important de vérifier que l'on utilise bien des grandeurs caractéristiques.)
Si le nombre de Rayleigh est inférieur à une valeur critique de l'ordre de Le nombre de Rayleigh critique dépend de ce qu'on appelle les conditions aux limites. La valeur indiquée () vaut pour une couche fluide délimitée par deux parois rigides., le transfert thermique s'opère uniquement par conduction, tandis qu'au-delà de cette valeur la convection s'installe et devient vite prépondérante dans le transfert.
Expression du flux de chaleur en convection Pour un écoulement à température autour d'une structure à température de surface uniforme et d'aire , l'expression du flux de chaleur convectif est donnée par la loi de Newton :
où : est exprimé en watts (W) ; est le coefficient de transfert thermique, en watt par mètre carré-kelvin (W/(m K), W m K). Pour une convection en air calme, dans des conditions normales de température et de pression, on a typiquement h compris entre 5 et .
Résolution du problème L'analyse dimensionnelle permet de montrer que, en convection forcée, le nombre de Nusselt Nu, permettant de calculer h puis le flux thermique par la formule indiquée ci-dessus, s'exprime en fonction du nombre de Reynolds Re et du nombre de Prandtl Pr : , nombre de Nusselt local à une abscisse x ; , nombre de 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 dispose alors d'une série de formules empiriques établies sur des configurations typiques (plaque plane, écoulement autour d'un cylindre…) afin d'en déduire le coefficient de transfert thermique.
Phénomènes convectifs La convection crée des patrons cycliques de montée de l'air chaud et descente de l'air froid en rouleaux, cellules ou panaches. Il y a une série de domaines où l'on retrouve ce phénomène.
Vie courante vignette|Présentation de la convection dans une casserole. Le mouvement dans une casserole posée sur le feu s'explique par les différences de densité créées par le chauffage. Le fluide se met en mouvement spontanément quand la différence de température entre le haut et le bas de la couche d'eau atteint une valeur critique. La fumée de cigarette ou de cheminée monte car la combustion crée une zone très chaude et très légère par rapport à l'environnement. Cette zone de fluide monte sous l'action de la poussée d'Archimède. Le chauffage par le sol relève du même principe. La couche chaude à la base des pièces, du fait de la dilatation thermique, devient plus légère (relativement) et engendre une circulation dans la maison. Le fonctionnement de la lampe à lave est basé sur ce phénomène: La cire est chauffée par le fond jusqu'à ce que sa densité soit inférieure à celle du fluide environnant. Elle s'élève alors en formant des panaches qui, une fois au sommet de la lampe, refroidissent et retombent au fond du récipient. Les courants de convection sont à l'origine des contraintes de compression et des contraintes d'expansion (selon leurs mouvements), ce qui cause la déformation des roches. Pour l'isolation thermique d'une habitation, l'air enfermé entre la toiture et le plancher des combles, ou entre le mur porteur et un mur intérieur n'assure aucunement l'isolation à cause du phénomène de convection accéléré par une différence de température entre paroi chaude et paroi froide: pour réaliser l'isolation, il faut ajouter dans cet espace un matériau isolant dans lequel l'air enfermé dans des bulles ou entre des fibres ne peut pas participer à la convection.
Technologie Le brûleur de la montgolfière réchauffe l'air au-dessus de lui et fait monter la nacelle. L'eau du circuit de refroidissement des réacteurs des centrales nucléaires est refroidie dans les grandes cheminées en utilisant la capacité d'extraction de chaleur de la convection associée à la chaleur d'évaporation de l'eau particulièrement élevée. Les tours solaires utilisent également la convection : l'air chauffé par le soleil à la base de la tour remonte dans la tour.
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