Nombre de Nusselt

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Le nombre de Nusselt Nu 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

Définitions

Nombre de Nusselt local

Le nombre de Nusselt local est défini de la manière suivante :

Nu=hLcλ,

avec :

  • h : coefficient de transfert thermique ou coefficient de convection (W·m-2·K-1) en un point particulier de la surface ;
  • Lc : longueur caractéristique (m) ; elle est la même que celle utilisée pour le nombre de Reynolds ;
  • λ : conductivité thermique du fluide (W·m-1·K-1).

La longueur caractéristique Lc dépend de la géométrie de la surface d'échange. Par exemple :

  • dans le cas d'une plaque plane, on prendra l'abscisse x à compter du bord d'attaque de la plaque,
  • dans le cas d'un écoulement dans une conduite, on prendra le diamètre intérieur D de la canalisation, ou le diamètre hydraulique si la conduite n'a pas une section circulaire.

Le nombre de Nusselt local peut également s'écrire sous la forme d'un gradient de température adimensionné à la paroi.

En posant y+=yLc et T+=TTsTTs , on obtient à partir de l'équation de définition du coefficient de transfert :

Nu=T+y+|paroi,

avec T la température du fluide en une position donnée, Ts la température de surface de la paroi et T la température du fluide à grande distance de la paroi.Modèle:Démonstration

Nombre de Nusselt global

Le nombre de Nusselt global permet de calculer le coefficient de convection moyen sur la totalité de la surface. Il s'exprime :

Nu=hLcλ,

h=1SSh dS de sorte que le flux thermique soit Φ=hS(TsT).

Corrélations

En convection forcée

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 :

Nu=C Reα Prβ,

avec :

Cette somme représente une fonction f, 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 :

NuLc=f(ReLc,Pr) et/ou NuLc=g(ReLc,Pr).

L'objectif est, en général, de déterminer le nombre de Nusselt afin d'en déduire le coefficient de transfert thermique local h ou global h 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

x est l'abscisse en prenant le bord d'attaque comme origine

Nux=0,332Rex1/2Pr1/3[3] (local)

Nux=0,664Rex1/2Pr1/3[3]

(moyen entre 0 et x)

Écoulement laminaire Rex<5.105 et Pr>0,7
Nux=0,0296Rex4/5Pr1/3[4] Écoulement turbulent Rex>5.105 et 0,6<Pr<60
Écoulement perpendiculaire à un cylindre isotherme Hilpert[5] :
NuD=CReDnPr1/3
n=0,330 et C=0,989 0,4ReD4
n=0,385 et C=0,911 4ReD40
n=0,466 et C=0,683 40ReD4000
n=0,618 et C=0,193 4000ReD40000
n=0,805 et C=0,027 40000ReD400000
Écoulement dans un tube de paroi isotherme NuD=3,66[6]Modèle:,[7] Région thermique pleinement développée :

xD>0,05ReDPr[8].

Écoulement dans un tube à densité de flux thermique pariétal constant NuD=4,36[6]Modèle:,[7]

En convection naturelle

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 :

GrLc=gβ(TsT)Lc3ν2=gβ(TsT)Lc3ρ2μ2,

où :

Le nombre de Rayleigh lui est associé par : RaLc=PrGrLc.

Dans les cas les plus simples la corrélation prend la forme NuLc=CRaLcn. mais de façon plus générale on pourra rencontrer des fonctions plus sophistiquées :

NuLc=f(GrLc,Pr) et/ou NuLc=g(GrLc,Pr).

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

x est l'abscisse en prenant le bord d'attaque comme origine

(en bas pour une paroi chaude, en haut pour une paroi froide)

Nux=CRaxn n=1/4 et C=0,59[9]Modèle:,[10] Écoulement laminaire

104Ra109

n=1/3 et C=0,10[9]Modèle:,[10] Écoulement turbulent

109Ra1013

Résultats obtenus analytiquement[11]Modèle:,[12]
Nux=0,508Rax1/4(Pr0,952+Pr)1/4
Nux=43Nux=0,667Rax1/4(Pr0,952+Pr)1/4
Écoulement laminaire

Ra109

Cylindre horizontal Morgan[13]Modèle:,[14] :
NuD=CRaDn
n=0,058 et C=0,675 1010RaD102
n=0,148 et C=1,02 102RaD102
n=0,188 et C=0,850 102RaD104
n=0,250 et C=0,480 104RaD107
n=0,333 et C=0,125 107RaD1012

Modèle:Boîte déroulante/début

Corrélation Conditions
Surface plane verticale isotherme
Ts : température de la paroi isotherme.

L : hauteur de la paroi.

x : 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 Tf=Ts+T2.

Nux=h(x)xλ : nombre de Nusselt local à l'abscisse x.

Nux=hxλ : nombre de Nusselt moyen entre le bord d'attaque et l'abscisse x.

NuL=(Nux)x=L : nombre de Nusselt moyen sur la hauteur de la paroi.

Nux=CRaxn n=1/4 et C=0,59[9]Modèle:,[10] Écoulement laminaire

104Ra109

n=1/3 et C=0,10[9]Modèle:,[10] Écoulement turbulent

109Ra1013

Résultats obtenus analytiquement[11]Modèle:,[12]
Nux=0,508Rax1/4(Pr0,952+Pr)1/4
Nux=43Nux=0,667Rax1/4(Pr0,952+Pr)1/4
Écoulement laminaire

Ra109

Churchill et Chu[9]Modèle:,[15]Modèle:,[16]Modèle:,[17]
Nux=(0,825+0,387Rax1/6(1+(0,492/Pr)9/16)8/27)2

Nux est pratiquement uniforme en régime turbulent[17].

Pour tous types d'écoulements

0,1Ra1012

Churchill et Chu[9]Modèle:,[16]Modèle:,[17]
Nux=0,68+0,670Rax1/4(1+(0,492/Pr)9/16)4/9
Nux=0,68+340,670Rax1/4(1+(0,492/Pr)9/16)4/9
Écoulement laminaire

Ra109

Surface plane verticale à flux thermique constant
φ : densité de flux thermique en n'importe quel point de la surface.

Grx*=GrxNux=gβφx4ναλ : nombre de Grashof modifié.

Sparrow et Gregg, Vliet et Liu, Vliet[16]
Nux=0,60(Grx*Pr)1/5
Nux=1,25Nux
Écoulement laminaire

105Grx*Pr1011

Sparrow et Gregg, Vliet et Liu, Vliet[16]
Nux=0,568(Grx*Pr)0,22
Nux=1,136Nux
Écoulement laminaire

1013Grx*Pr1016

Churchill et Chu[9]Modèle:,[15]Modèle:,[16]Modèle:,[17]
Nux=(0,825+0,387Rax1/6(1+(0,492/Pr)9/16)8/27)2

Bonne approximation localement[17]

Nux=0,17+34Nux .
Pour tout type d'écoulement

0,1Ra1012

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 θ 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 g par gcosθ.

La corrélation de Churchill et Chu reste valable[18] dans certaines conditions :
Nux=0,68+0,670Rax1/4(1+(0,492/Pr)9/16)4/9 .
g remplacé par gcosθ pour le calcul de Ra.

θ<45 pour 105Ra1011

[18]

Pour les faibles inclinaisons[18] :
NuL=0,58RaL1/5 .
Ra calculé à partir de g et non gcosθ.

87θ90 pour 106Ra109

89θ90 pour 109Ra1011

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 :
Nux=0,68+0,670Rax1/4(1+(0,492/Pr)9/16)4/9 .
g remplacé par gcosθ pour le calcul de Ra.

θ<45 pour 105Ra109

Raithby et Hollands[18] :
NuL=0,14Ra1/3(1+0,0107Pr1+0,01Pr) .
60θ90107Ra2.1011 et 0,024Pr2000Pour les gaz si Ra est grand, Clausing et Berton :

Tf=Ts0,83(TsT) si 1Ts/T3

Surface plane inclinée à densité de flux constante : surface chaude vers le bas ou surface froide vers le haut
NuL=0,56RaL1/4[19] θ<88 et 105<RaL<1011
Pour les faibles inclinaisons[19] :
NuL=0,58RaL1/5 .
Ra calculé à partir de g et non gcosθ.

88θ90 et 106<Ra<1011

Surface plane horizontale isotherme : surface chaude vers le haut ou surface froide vers le bas
Certaines corrélation préconisent l'utilisation de L*=SP comme: longueur caractéristique, rapport de la surface sur le périmètre[19]Modèle:,[20]. D'autre simplement la longueur L.

Les propriétés thermophysiques du fluide sont évaluées à une température Tf=Ts+T2 si la température de la surface d'échange peut être considérée constante.

NuL*=CRaL*n n=1/4 et C=0,27[21]Modèle:,[20]Modèle:,[10] Ecoulement laminaire

3.105RaL*3.1010[21]

105RaL*1010[20]Modèle:,[10]

n=1/5 et C=0,52[22] 104RaL*109 et Pr>0,7
Surface plane horizontale isotherme : surface chaude vers le haut ou surface froide vers le bas
NuL*=CRaL*n n=1/4 et C=0,54[21]Modèle:,[20]Modèle:,[22] Ecoulement laminaire

105RaL*2.107[21]

104RaL*107[20]Modèle:,[22]

n=1/3 et C=0,14[21]


n=1/3 et C=0,15[20]Modèle:,[22]Modèle:,[10]

Ecoulement turbulent

2.107RaL*3.1010[21]

107RaL*109[20]Modèle:,[22]

Raithby et Hollands[23] :
NuL=0,14RaL1/3(1+0,0107Pr1+0,01Pr) .
107RaL2.1011 et 0,024Pr2000[23]Pour les gaz si RaL est grand, Clausing et Berton[23] :

Tf=Ts0,83(TsT) si 1Ts/T3

Raithby et Hollands[23] :
NuL*=0,560RaL*1/4(1+(0,492/Pr)9/16)4/9 .

Si NuL*10 une correction est proposée :

Nucorr=1,4ln(1+1,4NuL*) .
RaL*107
Surface plane horizontale à densité de flux constant : surface chaude vers le bas ou surface froide vers le haut
NuL*=CRaL*n n=1/5 et C=0,13[21] 106RaL*1011
Surface plane horizontale à densité de flux constant : surface chaude vers le haut ou surface froide vers le bas
NuL*=CRaL*n n=1/3 et C=0,13[21] RaL*<2.108
n=1/3 et C=0,16[21] 5.108RaL*1011
Cylindre horizontal isotherme
Morgan[13]Modèle:,[14] :
NuD=CRaDn
n=0,058 et C=0,675 1010RaD102
n=0,148 et C=1,02 102RaD102
n=0,188 et C=0,850 102RaD104
n=0,250 et C=0,480 104RaD107
n=0,333 et C=0,125 107RaD1012
Churchill et Chu[24] :
NuD=0,36+0,514RaD1/4(1+(0,559/Pr)9/16)4/9 .
106RaD109
Pour une plus large gamme d'utilisations[24]Modèle:,[25]Modèle:,[26]Modèle:,[14] :
NuD=(0,60+0,387(RaD(1+(0,559/Pr)9/16)16/9)1/6)2 .
104<RaD<1012[25]
Cylindre vertical isotherme
NuL=43(7RaLPr100+105Pr)1/4+0,1143272+315Pr64+63PrLD[26] DL>35Gr1/4
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]Modèle:,[27] :
hcyl(x)hplan(x)=22Grx1/4xR ,
hcylhplan=22GrL1/4LR .

R est le rayon du cylindre, D son diamètre et L sa longueur.

Sphère isotherme
Yuge[27]Modèle:,[28] :
NuD=2+0,43RaD1/4 .
Dans un gaz et RaD<105
Autre corrélation pour tous types de fluides[26]Modèle:,[27]Modèle:,[29] :
NuD=2+0,589RaD1/4(1+(0,492/Pr)9/16)4/9 .
RaD<1012 et Pr>0,7

Modèle:Boîte déroulante/fin

Annexes

Références

Bibliographie

Articles connexes

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