Convection

La convection est un mode de transfert thermique où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des pâtes, l'eau se met en mouvement spontanément : les groupes de particules de fluide proches du fond de la casserole sont chauffés, se dilatent donc deviennent moins denses (cf. masse volumique) et montent ; ceux de la surface de la casserole sont refroidis par le contact de la surface avec un milieu moins chaud, se contractent donc gagnent en densité et plongent. La chaleur est alors transférée de manière beaucoup plus efficace que par la conduction thermique ou le rayonnement, qui sont les deux autres modes de transfert thermique.

Ce phénomène physique très commun se produit dans de nombreux systèmes (casserole, manteau terrestre, étoile, ...) sous des formes diverses.

Phénomènes convectifs

Vie courante

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.

Technologie

• Le brûleur de la montgolfière réchauffe l'air au-dessus de lui et fait monter la nacelle.
• L'eau du circuit secondaire de réacteur 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.

Géophysique

Météorologie

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.

Mouvements de Convection

Le mouvement convectif ascendant est causé par la différence de température entre la parcelle d'air soulevée et l'environnement plus froid en altitude. En effet, la parcelle se refroidit en montant mais selon le gradient thermique adiabatique, soit moins que la température de l'environnement dans les cas instables. Elle est donc moins dense que l'environnement et subit une poussée d'Archimède vers le haut. Cette différence est l'énergie potentielle de convection disponible (EPCD). Elle sera plus importante si de la chaleur latente est relâchée par la condensation de vapeur d'eau contenue dans la parcelle. La vitesse de déplacement de la parcelle d'air sera proportionnelle à l'EPCD.

Ce mouvement ascendant s'accompagne du mouvement descendant d'un volume correspondant d'air plus dense (plus froid) par le même principe. 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, interprétable comme une conversion d'énergie potentielle gravitationnelle, en énergie cinétique.

Les quantités d'énergie impliquées dans cette conversion peuvent être considérables et se traduire par des mouvements ascendants et descendants importants, créant de la turbulence. S'il y a condensation, on assiste à la formation de nuages convectifs qui peuvent donner de forts coups de vent, des précipitations intenses et de la foudre. Si le cisaillement des vents avec l'altitude est favorable à un transfert de tourbillon, on peut former des tornades. Si le contenu en eau est très important, on peut obtenir des pluies torrentielles et même de la grêle.

Nuages Convectifs

Cumulus de beau temps

On donne à la classe des nuages d'origine convective le nom générique de cumulus. Lorsque la couche d'air instable est peu étendue verticalement, on a formation de cumulus humilis, dit cumulus de beau temps, synonymes d'air ascendant. Si l'EPCD augmente, on passe ensuite au cumulus mediocris, puis au congestus, le second produisant les averses. Si l'instabilité est plus grande on obtient le cumulonimbus calvus, pour finir au roi des nuages le cumulonimbus cappilatus incus qui sont synonymes d'un orage mûr et possédant également un cycle descendant de convection.

Chacun de ces nuages sont appelés aussi des cellules convectives. Les orages peuvent être être formés de cellules convectives isolés et on parlera alors d'un orage mono ou uni-cellulaire pour ceux peu importants et d'orages supercellulaires pour les autres. Les orages composés de plusieurs cellules convectives se classent en deux catégories, soit les orages multicellulaires, pour ceux provenant d'une cellule initiale qui se clône, et les systèmes convectifs de méso-échelle (ligne de grain, Derecho, complexe convectif de méso-échelle, cyclone tropical, etc.), pour celles qui s'unissent à partir d'une génèse distincte.

Les nuages mentionnés ci-dessus se produisent en général dans une masse d'air assez uniforme ce qui donne une répartition aléatoire des cellules. Si un déclencheur comme un front, uncreux barométrique, un soulèvement au-dessus d'un obstacle ou même le flux descendant des nuages passe dans le secteur, il peut servir à organiser la convection. Des nuages convectifs peuvent également se former dans des systèmes plus stables. Par exemple, à l'avant d'une dépression qui donne de la pluie continue, dite stratiforme, on a souvent dans bandes de précipitations plus intenses associées à des zones convectives dans les niveaux moyens de l'atmosphère. On note alors des altocumulus castellanus, ou même de cumulonimbus à base haute, imbriqués dans la masse nuageuse.

Finalement, la convection ne se produit pas seulement en été mais on la rencontre en toute saison. Ainsi, dans une tempête de neige les forts chutes se retrouvent souvent sous des cellules convectives imbriquées. Le cas des bourrasques de neige côtières est un autre exemple alors que de l'air très froid passe au-dessus d'étendues d'eau non gelée et donne des cumulus bourgeonnants de faible extension verticale mais très intenses.

Convection sans nuage

A: Brise de mer, B: Mer de terre

La convection atmosphérique peut se produire sans nécessairement donner des nuages. En effet, elle n'est créée que par la structure thermique et si l'humiditié n'est pas suffisante dans la parcelle d'air en ascension, il n'y aura pas de condensation. La brise de mer est un exemple typique de cellule convective en air clair. L'air se réchauffe plus rapidement sur terre que sur l'eau et une circulation thermique se développe durant la journée. Les thermiques qui se développent le long des pentes des montagnes sont un autre exemple où la différence de réchauffement crée une cellule convective à petite échelle, alors que la génération des alizés provient d'un boucle convectives à large échelle. On peut mentionner encore les tourbillons de poussière et les vents générés dans un incendie.

Usage de la Convection en aéronautique

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.

Par contre, les forts mouvements verticaux, dans et autour des orages, sont à éviter car ils produisent de la turbulence intense. De plus, le givrage dans ces nuages est important, car les gouttes y sont en surfusion, et la grêle va endommager les aéronefs.

Dans l'océan

L'océan est animé de courants marins qui ont pour moteur la convection. Les eaux de surface réchauffées par le Soleil à l'équateur se déplacent en courants superficiels ayant une épaisseur jusqu'à 800 mètre sous l'action des vents. Le réchauffement a comme conséquence une évaporation en surface qui concentre le sel contenu dans l'eau et donc la salinité de ces courants. Ce sont d'abord les alizés qui les poussent d'est en ouest puis, aux abords des continents, le courant remonte vers les hautes latitudes dans les vents généralement d'ouest. Les eaux se refroidissent ensuite à l'approche des calottes polaires et du fait de leur salinité, plongent au fond de l'océan. Elles terminent le cycle en retournant vers l'équateur. Cette convection océanique est dite aussi thermosaline, car elle est liée à la température et à la salinité de l'eau de mer.

Cependant, la boucle ne se limite pas à un bassin océanique mais plutôt encercle la Terre en plusieurs sous-boucles. L'eau chaude produit dans l'Atlantique équatorial se déplace vers l'Amérique du nord avant de tourner vers l'Europe en surface dans le Gulf Stream. Elle plonge ensuite en profondeur et se dirige vers le sud de l'Afrique. Ce faisant, elles se réchauffent et diluent lentement et finissent par remonter en surface au nord de l'océan Indien et du Pacifique. Elles font un nouveau cycle en surface qui se termine le long de la côte ouest de l'Amérique et replongent en profondeur pour éventuellement resurgir dans l'Atlantique. Le cyclone complet prend, selon les estimés, de 600 à 800 ans à se boucler.

Le rôle de ces boucles convectives est essentiel car il permet le transport de chaleur, libérée dans l'atmosphère, de l'équateur vers les pôles. Si ce transfert n'existait pas, il ferait plus chaud à l'équateur et plus froid aux hautes latitudes. Le Gulf Stream et le Kuro Shivo réchauffent ainsi les eaux respectivement situées au large de l'Europe et du Japon. La convection océanique joue aussi un rôle important dans le cycle du carbone. En effet, en plongeant les eaux marines entraînent une grande quantité de dioxyde de carbone ($CO_{2}$) qui a été capturé de l'atmosphère et qui y est dissous. Ce dioxyde de carbone est restitué en partie à l'atmosphère lorsque les eaux profondes refont surface.

Dans les volcans

Chambre magmatique, nuées ardentes.

Dans la lithosphère

Convection à petite échelle, déstabilisation.

Dans le manteau

Le manteau terrestre est constitué de roches (agrégat polycristallin) qui sur une échelle de temps géologique (le million d'année) se comporte comme un fluide. De la même manière qu'un glacier flue à l'état solide sur le pan d'une montagne, la convection a lieu dans le manteau à grande échelle.

Ce phénomène convectif est tenu pour responsable du déplacement en surfaces de plaques tectoniques. Cependant la relation entre convection et Tectonique des plaques est toujours en discussion.

Voir Convection mantellique

Dans le noyau externe

Plus profond encore, sous le manteau, se trouve le noyau terrestre. Il est composé d'une graine métallique (appelé aussi noyau interne, sorte d'agrégat de liquides solidifiés sous l'effet de la pression) entourée d'une épaisse coquille, métallique elle aussi mais demeurant à l'état liquide: le noyau externe. On peut considérer ici que le liquide contenu dans le noyau externe est confiné entre deux solides. Le noyau externe en question est animé de mystérieux mouvements de convection aux formes inhabituelles. Plusieurs phénomènes physiques de natures différentes (thermique, mécanique, magnétique) agissent de concert pour animer le noyau fluide. Dans un souci de simplification, nous présentons ces différentes causes séparément.

La plus simple et la plus évidente d'entre toutes ces causes est certainement la poussée d'Archimède qui provoque des ascensions de parcelles dans le noyau fluide. Le noyau dans son ensemble se refroidit et cristallise lentement à l'interface entre le noyau interne et le noyau externe : de la chaleur et des éléments légers sont relargués par endroits à la base du fluide. Celui-ci, plus léger que son entourage (voir plus haut), se met naturellement à convecter. C'est une forme de convection dont les deux aspects thermiques et chimiques sont aussi importants l'un que l'autre. On parle de convection thermo-chimique.

Deux autres forces viennent ensuite embellir la mécanique en déviant la trajectoire des parcelles fluides. Tout d'abord, la force de Coriolis. En effet, contrairement au cas du manteau qui l'entoure, la viscosité du fluide constituant le noyau externe est très faible (proche de celle de l'eau). Par conséquent, et puisque la coquille qui encapsule le fluide métallique est en rotation (jour-nuit-jour ...) le mouvement de convection décrit plus haut subit très fortement l'action de la force de Coriolis. Celle-ci devient dominante par rapport aux forces visqueuses et contraint le fluide à s'organiser en colonnes rotatives plus ou moins régulières. À ce stade on peut se représenter la convection dans le noyau en imaginant des parcelles de fluide ascendantes/descendantes convectant avec des trajectoires aux formes spiralées (?? image convection coquille rotation).

Vient ensuite la force de Laplace. Ne l'oublions pas, le fluide considéré ici est métallique ! (fer + nickel + quelques éléments légers - link géochimie ?). C'est un très bon conducteur de l'électricité, sorte de fluide électrifié, qui est le siège de phénomènes hydro-magnétiques non élucidés à ce jour, notamment l'effet dynamo grâce auquel nous baignons dans un champ magnétique terrestre. Reste cependant une certitude, les phénomènes en question font naître dans le noyau des forces magnétiques suffisamment importantes (compte tenu de l'intensité du champ magnétique terrestre ambiant et de la vigueur de l'écoulement décrit plus tôt) pour modifier elles aussi à leur tour les mouvements de convection dont il est question ici. (image magnéto-convection ??). La convection dans le noyau externe semble alors se complexifier davantage.

Références :

- sites :
- WikiArticles :
- livres, thèses :

Astrophysique

Mouvements dans les étoiles.

Principe physique

Une particule de fluide chauffée à la base devient plus légère 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.

On distingue deux grands types convection : la convection naturelle où le mouvement du fluide porteur de chaleur se met en place spontanément en raison d'anomalie de masse volumique d'origine thermique ; la convection forcée : le mouvement du fluide est provoquée par un acteur extérieur.

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.

La convection de Rayleigh-Bénard

C'est le cas d'école étudié par Henri Bénard et Lord Rayleigh. On considère un système simple.

Hypothèses physiques

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.

Équations de conservations

• Conservation de la masse

$\nabla \cdot \mathbf {u} =0$

• 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 la conduction thermique et le mouvement du fluide. Quand on commence à imposer un gradient thermique entre les surfaces de la couche, un gradient thermique s'installe. Expérimentalement, on observe qu'au bout d'un certain temps, le fluide se met en mouvement spontanément : c'est le démarrage de la convection. Celui-ci est contrôlé par un nombre sans dimension :
$Ra={\frac {\mathrm {Poussee\,d'Archimede} }{\mathrm {dissipation} }}={\frac {\rho g\alpha \Delta Td^{3}}{\kappa \eta }}$
avec $\rho$ la masse volumique, $g$ la force de gravité, $\alpha$ le coefficient d'expansion thermique, $\Delta T$ la différence de température entre le haut et le bas de la couche, $\kappa$ la diffusivité thermique et $\eta$ la viscosité dynamique caractéristique (à noter : ces valeurs peuvent être variables dans le fluide et il est important de vérifier que l'on utilise bien des grandeurs caractéristiques)
Le démarrage s'effectue pour un nombre de Rayleigh de 657,5 pour des surfaces libres et 1770 pour les surfaces rigides.

Patron convectif

Rouleaux, cellules, panaches.

Flux de chaleur

Expression du flux de chaleur en convection (Loi de Newton)

Pour un écoulement à une température $T_{\infty }$ autour d'une structure à une température uniforme $T_{S}$ de surface S, l'expression du flux de chaleur en convection est la suivante :

$\phi =hS{\big (}T_{S}-T_{\infty }{\big )}$

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.

• $Nu_{x}=C{Re_{x}}^{m}Pr^{n}$, Nusselt local à une abscisse x

• ${\overline {Nu_{L}}}=C{Re_{L}}^{m}Pr^{n}$, 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 d'échange thermique.

Voir aussi

• Transfert thermique
• Convection dans le manteau