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Transferts thermiques : Introduction aux transferts d'énergie
Livre numérique Transferts thermiques : Introduction aux transferts d'énergie

par Taine, Jean ; Enguehard, Franck ; Lacona, Estelle

Dunod

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Livre numérique

Transferts thermiques : Introduction aux transferts d'énergie

Auteur(s) : Taine, Jean ; Enguehard, Franck ; Lacona, Estelle
  • Éditeur(s)
  • Date
    • 2021
  • Notes
    • Les transferts thermiques sont une science clé de l’énergie. Cet ouvrage aborde les principaux modes de transferts d’énergie : la conduction, le rayonnement et la convection.Ces phénomènes très différents, mais pouvant interagir, doivent être connus de l’étudiant qui sera confronté un jour ou l’autre à un problème de transfert thermique. Il trouvera dans ce cours de nombreuses applications concrètes (centrales nucléaires, panneaux solaires, propulseur Vulcain...) ainsi que de nombreux exercices corrigés.Dans cette sixième édition entièrement actualisée, la priorité est donnée à la compréhension physique des phénomènes et à l’apprentissage de la modélisation physique. Le chapitre sur le rayonnement des milieux semi-transparents a été entièrement refondu pour intégrer des avancées récentes des concepts et des méthodes.
  • Langues
    • Français
  • ISBN
    • 9782100821662
  • Droits
    • copyrighted
  • Résultat de :
  • Quatrième de couverture

    • Transferts thermiques

      Introduction aux transferts d'énergie

      Les transferts thermiques sont une science clé de l'énergie. Cet ouvrage aborde les principaux modes de transferts d'énergie : la conduction, le rayonnement et la convection.

      Ces phénomènes très différents, mais pouvant interagir, doivent être connus de l'étudiant qui sera confronté un jour ou l'autre à un problème de transfert thermique. Il trouvera dans ce cours de nombreuses applications concrètes (centrales nucléaires, panneaux solaires, propulseur Vulcain...] ainsi que de nombreux exercices corrigés.

      Dans cette 6e édition entièrement actualisée, la priorité est donnée à la compréhension physique des phénomènes et à l'apprentissage de la modélisation physique. Le chapitre sur le rayonnement des milieux semi-transparents a été entièrement refondu pour intégrer des avancées récentes des concepts et des méthodes.

      Les plus

      • Un cours clair et pédagogique
      • De nombreux exemples concrets
      • Des exercices corrigés

      Le public

      • Étudiants en Licence 3 et Master
      • Élèves ingénieurs
      • Ingénieurs d'études et de recherche, chercheurs

  • Tables des matières

      • Transferts thermiques

      • Itroduction aux transferts d'énergie

      • 6e édition

      • Jean Taine

      • Franck Enguehard

      • Estelle Lacona

      • Dunod

      • Avant-propos XI
      • Index des notations XIII
      • Partie1
      • Première approche des transferts thermiques
      • Chapitre 1. Les principaux modes de transfert d'énergie 3
      • 1.1 Limitations physiques et objectifs3
      • 1.1.1 Le système3
      • 1.1.2 Déséquilibre thermique et équilibre thermodynamique local (E.T.L.)4
      • 1.1.3 Objectif des transferts thermiques - Conventions sur les flux5
      • 1.2 Première notion de flux radiatif6
      • 1.3 Transfert conductif8
      • 1.3.1 Flux conductif8
      • 1.3.2 Ordres de grandeur des conductivités thermiques10
      • 1.3.3 Systèmes à conductivité apparente très élevée : les caloducs11
      • 1.4 Flux convectif et conducto-convectif11
      • 1.4.1 Le phénomène de convection11
      • 1.4.2 Flux surfacique conductif à une paroi, couplé au phénomène de convection14
      • 1.4.3 Application aux caloducs16
      • 1.5 Conditions aux limites classiques18
      • 1.5.1 Exemple 1 : milieu opaque et milieu transparent18
      • 1.5.2 Exemple 2 : deux milieux opaques19
      • 1.5.3 Exemple 3 : un milieu (semi-)transparent et un milieu transparent19
      • 1.5.4 Exemple 4 : contact thermique19
      • 1.5.5 Exemple 5 : interface entre deux phases20
      • 1.6 Bilan d'énergie en régime stationnaire sans mouvement20
      • 1.6.1 Formulation générale du bilan d'énergie20
      • 1.6.2 Méthodologie de résolution d'un problème de transfert thermique21
      • 1.6.3 Exercices d'application22
      • Exercice 1.1. Chauffage en volume22
      • Exercice 1.2. Crayon fissile24
      • Chapitre 2. Transferts conductifs stationnaires linéaires 27
      • 2.1 L'analogie électrique et ses limites27
      • 2.1.1 Principe27
      • 2.1.2 Exercices d'application30
      • Exercice 2.1. Résistances thermiques30
      • Exercice 2.2. Le paradoxe de l'isolant, en géométrie cylindrique31
      • Exercice 2.3. Résistance thermique d'un élément d'échangeur plan ; coefficient d'échange global32
      • 2.2 Ailettes et approximation de l'ailette34
      • 2.2.1 Approximation de l'ailette35
      • 2.2.2 Calcul de l'efficacité d'une ailette36
      • 2.2.3 Ailette idéale (isotherme)38
      • 2.2.4 Ailette infinie39
      • 2.2.5 Résultats pour diverses géométries d'ailettes39
      • 2.2.6 Validité de l'approximation de l'ailette au sens du profil de température39
      • 2.2.7 Résolution générale du problème de l'ailette (conduction stationnaire à plusieurs dimensions)40
      • 2.2.8 Validité de l'approximation de l'ailette au sens du flux global42
      • 2.2.9 Exercices d'application43
      • Exercice 2.4. Ailette en acier : conditions pratiques de l'approximation de l'ailette43
      • Exercice 2.5. Bilan énergétique simplifié d'un appartement43
      • Chapitre 3. Conduction instationnaire 49
      • 3.1 Introduction49
      • 3.2 Théorèmes généraux52
      • 3.2.1 Théorème de superposition52
      • 3.2.2 Analyse dimensionnelle -Théorème Π54
      • 3.3 Géométrie semi-infinie. Réponse après un intervalle de temps court57
      • 3.3.1 Réponse d'un système après un intervalle de temps court57
      • 3.3.2 Réponse d'un système à une condition extérieure périodique60
      • 3.3.3 Exercice d'application63
      • Exercice 3.1. Contact thermique63
      • 3.4 Géométrie finie. Réponse d'un système à un instant quelconque67
      • 3.4.1 Réponse à une perturbation brutale67
      • 3.4.2 Réponse à un régime forcé68
      • 3.5 Échelles de temps et de longueur68
      • 3.5.1 Temps caractéristiques68
      • 3.5.2 Nombre de Biot71
      • 3.5.3 Nombre de Fourier71
      • 3.5.4 Exercices d'application72
      • Exercice 3.2. Temps de réponse d'un thermocouple72
      • Exercice 3.3. Pont thermique72
      • Chapitre 4. Transferts radiatifs entre corps opaques 75
      • 4.1 Domaine du rayonnement thermique76
      • 4.2 Expression d'un flux monochromatique78
      • 4.2.1 Flux monochromatique directionnel78
      • 4.2.2 Expression générale du flux monochromatique hémisphérique79
      • 4.2.3 Expression du flux monochromatique hémisphérique dans le cas d'un rayonnement isotrope80
      • 4.2.4 Flux radiatif ; vecteur flux radiatif81
      • 4.3 Équilibre thermique et propriétés radiatives82
      • 4.3.1 Absorptivité et réflectivité monochromatiques directionnelles82
      • 4.3.2 Rayonnement d'équilibre83
      • 4.3.3 Émissivité monochromatique directionnelle84
      • 4.3.4 Loi fondamentale du rayonnement thermique85
      • 4.3.5 Cas particuliers usuels85
      • 4.4 Propriétés du rayonnement d'équilibre87
      • 4.5 Modèles simples de transfert radiatif89
      • 4.5.1 Corps opaque convexe isotherme entouré par un corps noir isotherme89
      • 4.5.2 Corps opaque convexe de petite dimension et isotherme placé dans une enceinte en équilibre thermique90
      • 4.5.3 Conditions de linéarisation du flux radiatif91
      • 4.5.4 Extension au cas de milieux transparents par bandes92
      • 4.5.5 Exercices d'application94
      • Exercice 4.1. Mesure par thermocouple de la température d'un gaz94
      • Exercice 4.2. Étude thermique d'une ampoule à incandescence96
      • 4.6 Métrologie radiative ; pyrométrie bichromatique99
      • 4.7 Méthode générale de traitement du transfert radiatif entre corps opaques101
      • 4.7.1 Expression du flux radiatif101
      • 4.7.2 Exemple de calcul direct : intérêt des écrans radiatifs103
      • 4.7.3 La méthode des flux incidents et partants104
      • 4.7.4 Exercice d'application107
      • Exercice 4.3. Étalon de luminance - corps noir107
      • 4.7.5 Propriétés des facteurs de forme110
      • 4.7.6 Exercice d'application112
      • 4.8 Généralisation de la méthode114
      • Exercice 4.4. Structure isolante en cryogénie112
      • 4.8.1 Généralisation au cas de parois partiellement transparentes114
      • 4.8.2 Généralisation au cas de rayonnement(s) incident(s) directionnel(s)117
      • Chapitre 5. Introduction aux transferts convectifs 119
      • 5.1 Bilan d'énergie pour un système indéformable120
      • 5.1.1 Système matériel120
      • 5.1.2 Premier exemple d'application : une filière120
      • 5.1.3 Système ouvert à frontières fixes en régime stationnaire122
      • 5.1.4 Retour sur l'exemple de la filière123
      • 5.1.5 Exemple 2 : interface solide-liquide, front de fusion123
      • 5.2 Bilan d'énergie pour un système fluide monophasique125
      • 5.2.1 Théorèmes de transport125
      • 5.2.2 Bilan d'énergie (approche simplifiée)127
      • 5.3 Applications simples : transferts dans une conduite ; échangeurs de chaleur130
      • 5.3.1 Hypothèses simplificatrices130
      • 5.3.2 Bilan d'énergie en régime stationnaire131
      • 5.3.3 Exercice d'application133
      • Exercice 5.1. Performances comparées d'échangeurs de chaleur133
      • 5.4 Analyse dimensionnelle en convection forcée138
      • 5.4.1 Notion élémentaire de viscosité139
      • 5.4.2 Nombres caractéristiques clés140
      • 5.4.3 Interprétation physique des nombres caractéristiques142
      • 5.4.4 Notion de similitude en convection forcée145
      • 5.4.5 Transition entre régimes laminaire et turbulent145
      • 5.5 Convection forcée externe148
      • 5.5.1 Convection forcée externe laminaire148
      • 5.5.2 Convection forcée externe turbulente151
      • 5.5.3 Exercice d'application155
      • Exercice 5.2. Refroidissement d'une plaque155
      • 5.6 Convection forcée interne156
      • 5.6.1 Convection forcée interne laminaire156
      • 5.6.2 Convection forcée interne turbulente160
      • 5.6.3 Comparaison entre les transferts turbulents le long d'une plaque et dans un tube1162
      • 5.6.4 Autres écoulements internes ; notion de diamètre hydraulique165
      • 5.6.5 Exercice d'application166
      • Exercice 5.3. Écoulement dans un tube166
      • 5.7 Convection naturelle externe167
      • 5.7.1 Analyse dimensionnelle en convection naturelle externe le long d'une plaque verticale169
      • 5.7.2 Transition entre régimes laminaire et turbulent le long d'une plaque verticale 172
      • 5.7.3 Principaux résultats pratiques de convection naturelle externe173
      • 5.7.4 Exercice d'application175
      • Exercice 5.4. Chauffage d'une pièce175
      • 5.8 Convection naturelle interne176
      • 5.8.1 Exercice d'application176
      • Exercice 5.5. Lame d'air d'un double vitrage176
      • 5.9 Convection mixte : compétition entre convection forcée et convection naturelle177
      • Problèmes de Synthèse de la Partie 1 179
      • 1 Circuit de refroidissement d'un moteur fusée cryogénique179
      • 2 Thermique élémentaire d'un réacteur à neutrons rapides182
      • 3 Dimensionnement d'un capteur solaire thermique187
      • 4 Effet de serre atmosphérique193
      • Partie2
      • Transferts thermiques avancés
      • Chapitre 6. Rayonnement des milieux semi-transparents 199
      • 6.1 Échanges d'énergie avec le système matériel200
      • 6.1.1 Émission, absorption, diffusion200
      • 6.1.2 Puissance radiative, flux radiatif201
      • 6.2 Caractérisation d'un milieu absorbant204
      • 6.2.1 Absorption204
      • 6.2.2 Émission et auto-absorption206
      • 6.2.3 Puissance radiative volumique (milieu absorbant et diffusant)207
      • 6.3 Interactions à longue portée (milieux absorbants)207
      • 6.3.1 Équation de Transfert Radiatif (formulation intégrale)209
      • 6.3.2 Conditions aux limites210
      • 6.3.3 Théorème de réciprocité214
      • 6.3.4 Milieux absorbants optiquement minces215
      • 6.3.5 Modèle approché de Hottel219
      • 6.4 Interactions à courte portée (milieux absorbants)222
      • 6.4.1 Équation de transfert radiatif (formulation différentielle)223
      • 6.4.2 Loi de Fourier radiative223
      • 6.4.3 Validité de la loi de Fourier radiative225
      • 6.5 Milieu absorbant et diffusant, homogène et isotrope226
      • 6.5.1 Caractérisation d'un milieu absorbant et diffusant226
      • 6.5.2 Généralisation du théorème de réciprocité230
      • 6.5.3 Interactions à longue portée, équation de transfert radiatif intégrale232
      • 6.5.4 Interactions à courte portée, loi de Fourier233
      • 6.6 Milieux anisotropes, Milieux poreux237
      • 6.6.1 Milieux semi-transparents anisotropes237
      • 6.6.2 Homogénisation statistique des phases d'un milieu poreux238
      • 6.7 Approche numérique des transferts radiatifs240
      • 6.7.1 Méthodes déterministes241
      • 6.7.2 Méthode statistique de Monte-Carlo246
      • 6.8 Exercices d'application du Chapitre 6252
      • Exercice 6.1. Sphère absorbante homogène et isotherme252
      • Exercice 6.2. Mur plan absorbant homogène et isotherme253
      • Exercice 6.3. Mur plan absorbant hétérogène et anisotherme254
      • Exercice 6.4. Obtention directe de la loi de Fourier257
      • Exercice 6.5. Modèle de milieu poreux diffusant simplifié à deux flux258
      • Chapitre 7. Propriétés radiatives des milieux 261
      • 7.1 Propriétés radiatives des milieux denses262
      • 7.1.1 Milieux denses non diffusants dans des conditions de laboratoire262
      • 7.1.2 Propriétés radiatives d'une assemblée de particules265
      • 7.1.3 Matériaux réels271
      • 7.2 Propriétés radiatives des gaz276
      • 7.2.1 Approche raie par raie277
      • 7.2.2 Les phénomène de corrélations spectrales281
      • 7.2.3 Modèle statistique à bandes étroites283
      • 7.2.4 Modèle CK288
      • 7.2.5 Modèles globaux292
      • 7.2.6 Comparaison entre modèles approchés294
      • 7.2.7 Abaques de Hottel294
      • Chapitre 8. Équations générales de la convection (fluide monophasique) 297
      • 8.1 Équations de bilan pour un fluide homogène297
      • 8.1.1 Dépendance en température et pression des grandeurs thermophysiques297
      • 8.1.2 Bilan de quantité de mouvement298
      • 8.1.3 Bilan d'énergie300
      • 8.2 Équations de bilan pour un fluide hétérogène303
      • 8.2.1 Bilan de masse d'une espèce304
      • 8.2.2 Bilan d'une grandeur relative à une espèce s306
      • 8.2.3 Bilan d'énergie d'un fluide monophasique hétérogène306
      • 8.3 Équations de bilan adimensionnées (transformations isovolumes)308
      • 8.3.1 Convection thermique308
      • 8.3.2 Convection avec transfert de masse311
      • 8.4 Analogie entre transferts thermiques et transferts massiques313
      • 8.4.1 Grandeurs et échelles caractéristiques en diffusion d'espèces313
      • 8.4.2 Principaux nombres caractéristiques en convection314
      • 8.4.3 Conclusion : usage des analogies en convection316
      • 8.5 Couches limites en convection forcée externe laminaire317
      • 8.5.1 Approximation de la couche limite317
      • 8.5.2 Solution par la méthode intégrale319
      • 8.6 Couches limites en convection naturelle externe laminaire321
      • 8.7 Convection forcée interne laminaire322
      • 8.7.1 Établissement du régime mécanique dans une conduite323
      • 8.7.2 Établissement du régime thermique dans une conduite325
      • 8.8 Convection naturelle interne laminaire328
      • Chapitre 9. Transferts turbulents 329
      • 9.1 Équations de bilan et échelles caractéristiques330
      • 9.1.1 Équations locales instationnaires de bilan330
      • 9.1.2 Équations statistiques de bilan en turbulence331
      • 9.1.3 Échelles mécaniques caractéristiques de la turbulence334
      • 9.1.4 Échelles caractéristiques thermiques et scalaires339
      • 9.1.5 Cascade énergétique340
      • 9.2 Écoulement turbulent au voisinage d'une paroi341
      • 9.2.1 Contrainte totale r/0(343
      • 9.2.2 Flux surfacique thermique radial total344
      • 9.2.3 Structure de l'écoulement346
      • 9.2.4 Cas d'un fluide de masse volumique variable352
      • 9.2.5 Couplages avec le rayonnement352
      • 9.2.6 Structure d'un écoulement turbulent dans une autre géométrie353
      • 9.3 Les différentes voies de modélisation353
      • 9.3.1 Simulation numérique directe de la turbulence354
      • 9.3.2 Méthodes fondées sur des équations statistiques de bilan et la diffusion turbulente356
      • 9.3.3 Simulation des grandes échelles de la turbulence363
      • Chapitre 10. Bases physiques des transferts thermiques 365
      • 10.1 Fonction de distribution des vitesses, Luminance, Flux366
      • 10.1.1 Fonctions de distribution des vitesses367
      • 10.1.2 Vitesses et énergies macroscopiques368
      • 10.1.3 Flux de diffusion369
      • 10.1.4 Flux radiatif et luminance373
      • 10.2 Équilibre Thermodynamique Parfait374
      • 10.2.1 Équilibre thermodynamique parfait du système matériel375
      • 10.2.2 Équilibre thermodynamique parfait du champ de rayonnement, loi de Planck376
      • 10.2.3 Interprétation physique de la loi de Planck (modèle d'Einstein)377
      • 10.3 Équations d'évolution379
      • 10.3.1 Équation d'évolution de la distribution des vitesses379
      • 10.3.2 Équation de transfert du rayonnement pour un gaz386
      • 10.4 Équilibre Thermodynamique Local et flux de diffusion388
      • 10.4.1 Système matériel389
      • 10.4.2 Exercice d'application394
      • Exercice 10.1. Modèle grossier de viscosité et conductivité thermique394
      • 10.4.3 ETL et solution de perturbation pour le champ de rayonnement397
      • 10.5 Non équilibre du système matériel : nanosystèmes et milieux raréfiés398
      • 10.5.1 Conditions de Non équilibre398
      • 10.5.2 Exercice d'application400
      • Exercice 10.2. Régime ballistique d'une assemblée de particules400
      • Complément A. Quelques méthodes mathématiques de la diffusion 405
      • A.1 Utilisation de la transformation de Laplace405
      • A.2 Utilisation de la méthode de séparation des variables409
      • A.3 Utilisation de la fonction de Green en conduction410
      • Complément B. Fonctions et équations usuelles 416
      • B.1 Fonctions d'erreur (conduction instationnaire)416
      • B.2 Fonctions intégro-exponentielles (rayonnement)417
      • B.3 Tenseurs usuels en transferts (convection) 417
      • B.4 Équations utiles en convection (coordonnées cartésiennes et cylindriques)423
      • Complément C. Corrélations de convection 426
      • C.1 Convection forcée externe426
      • C.1 .1 Écoulement parallèle à une paroi plane (ou à une paroi de faible courbure)426
      • C.1.2 Écoulement perpendiculaire à l'axe d'un cylindre de section circulaire428
      • C.1.3 Écoulement impactant une sphère428
      • C.1.4 Autres configurations428
      • C.2 Convection forcée interne428
      • C.2.1 Tube de section circulaire428
      • C.2.2 Plaques parallèles431
      • C.2.3 Autres cas432
      • C.3 Convection naturelle externe432
      • C.3.1 Paroi verticale plane432
      • C.3.2 Paroi plane inclinée434
      • C.3.3 Paroi horizontale plane434
      • C.3.4 Cylindre isotherme vertical435
      • C.3.5 Cylindre horizontal435
      • C.3.6 Sphère435
      • C.3.7 Autres cas435
      • C.4 Convection naturelle interne435
      • C.4.1 Enceinte rectangulaire bidimensionnelle, infinie dans une direction horizontale435
      • C.4.2 Autres cas436
      • Complément D. Quelques propriétés thermophysiques (conduction et convection) 437
      • D.1 Gaz à pression atmosphérique437
      • D.2 Liquides441
      • D.3 Solides444
      • Complément E. Quelques données radiatives 446
      • E.1 Rayonnement d'équilibre446
      • E.2 Quelques facteurs de forme448
      • E.3 Emissivités totales des gaz449
      • Complément F. Données diverses 451
      • F.1 Conversions d'échelles de température451
      • F.2 Conversions d'unités diverses451
      • Bibliographie452
      • Index461

  • Consultable à la Bpi