Les nombres sans dimension sont obtenus par le rapport de
grandeurs ayant une même
dimension. Ainsi la densité d'une substance, étant le rapport de la
masse volumique de cette substance sur la masse volumique de l'eau, est
un nombre sans dimension.
Ils sont d'un usage très courant dans la
description des phénomènes thermiques ou hydrauliques. Le plus
emblématique d'entre eux est sans doute le nombre de Reynolds.
Ils sont
utilisés pour caractériser un état
physique indépendament de la taille de l'espace sur lequel il est
observé. Ceci est particulièrement utile pour extrapoler les
observations faites sur maquettes.
Les nombres sans dimension ne doivent pas être confondus avec
des
constantes.
Etant sans dimension, ils sont la plupart du temps présentés sans unité, ce qui
fait que leur valeur reste inchangée quel que soit le système
d'unité utilisé. Attention cependant il est important que numérateur et
dénominateur de l'expression du nombre sans dimension utilisent les mêmes unités.
Les nombres sans dimension les plus utilisés en génie des
procédés:
-
Reynolds
-
Froude
-
Nusselt
-
Prandtl
-
Grashof
-
Archimède
-
Rayleigh
-
Schmidt
-
Lewis
-
Sherwood
-
Peclet
-
Stanton/Margoulis
-
Mach
La
dimension d'une grandeur
La dimension d'une grandeur physique exprime le type d'information à
laquelle il se rapporte. Ce
peut être une longueur, une masse, un temps, une vitesse, une
pression, ....
Exemple de grandeur et leur dimension
Grandeur |
Unité SI |
Dimension |
vitesse |
m/s |
LT -1 |
accélération (γ) |
m/s² |
LT -2 |
surface (S) |
m² |
L2 |
volume |
m3 |
L3 |
force (F=m.γ) |
N |
MLT -2 |
pression (P=F/S) |
Pa |
ML-1T -2 |
viscosité dynamique |
Pa.s |
ML-1T-1 |
énergie |
J |
ML2T-2 |
La grandeur physique elle-même est constituée d'une valeur et d'une
unité.
(exemple: 2 mètres, 30 secondes, 100 grammes, ...)
Certaines dimensions sont la combinaison d'autres dimensions; une
vitesse est une longueur divisées par un temps.
Il existe sept dimensions de base à partir desquelles on peut définir
toutes les dimensions des grandeurs physiques:
- longueur (L)
- masse (M)
- temps, durée (T)
- intensité électrique (I)
- température (Θ)
- quantité de matière (N)
- intensité lumineuse (J)
La dimension d'une grandeur peut toujours être exprimée sous la forme:
Dim = L
a.M
b.T
c.I
d.Θ
e.N
f.J
g
Les systèmes d'unité définissent les unités à utiliser:
Grandeur |
SI ou MKS |
CGS |
Impérial |
Longueur |
mètre (m) |
centimètre (cm) |
inche (in) |
Masse |
kilogramme (kg) |
gramme (g) |
pound (lb) |
Temps |
seconde (s) |
seconde (s) |
seconde (s) |
Force |
Newton (N) |
dyne (dyn) |
pound force (lbf) |
Pression |
Pascal (Pa) |
barye (Ba) |
lbf/in² (psi) |
Energie |
Joule (J) |
erg |
BTU |
Le
principe de similitude
La transposition d'un
phénomène physique d'un milieu à un autre est une préoccupation
ancienne puisqu' Aristote quelques 300 ans avant JC énonçait déjà des
règles pour transposer la vitesse de chute d'un corps dans l'eau ou
l'air.
Pour que les informations tirées d'un équipement à une échelle réduite
(maquette) soient extrapolables, celui-ci doit être
"similaire" à
l'équipement réel, c'est-à-dire respecter des règles de similitude.
Les types de
similitude
- - similitude géométrique
- mêmes rapports de dimensions homologues pour l'équipement
réel et l'équipement modèle
- - similitude cinématique (vitesse, accélération,
...)
- mêmes rapports de vitesses pour les points homologues des
équipements réel et modèle
- - similitude dynamique (forces d'inertie, forces
motrices, ...)
- même rapport des forces appliquées à des éléments homologues
- - similitude thermique
- même rapport de gradient de température
- - similitude chimique
- même rapport de gradient de concentration
- - similitude lumineuse
- dans les réacteurs photochimiques
- - similitude électrique
- dans les réacteurs électrochimiques
Dès
1890 Aimé Vaschy montrait que le nombre de paramètres à prendre en
compte peut être réduit en les regroupant sous forme de
nombres
sans dimension. La similitude entre maquette et équipement réel est
alors assurée si les nombres adimensionnels sélectionnés sont égaux.
En
pratique, le respect simultané de tous les critères de similitude est
rarement possible. Les critères les moins critiques doivent donc être
abandonnés.
La
représentation du transfert
Les équipements de procédé intègrent souvent au moins une des fonctions
de transfert de chaleur, de matière ou de quantité de mouvement. On
entend par transfert le déplacement de chaleur, de matière ou de
mouvement depuis la masse du fluide vers une interface. Ces
transferts vers une interface passent par un mécanisme
de diffusion moléculaire (conduction), un phénomène de turbulence
(convection) ou le plus souvent
un mélange des deux.
Transfert
par conduction
Dans
un milieu à la fois immobile (sans mouvement d'écoulement) et
tranquille (sans remous), les seuls mouvements se font à l'échelle
moléculaire. Les déplacements sont provoqués par un gradient de
potentiel entre la masse du fluide et le fluide au contact de
l'interface. Les
évolutions macroscopiques sont décrites à notre échelle par des
lois linéaires simples. Elles se présentent sous une même formulation
générique:
flux spécifique =
conductivité * gradient
Il
en est de même pour les fluides en mouvement linéaire sans tourbillon
(régime laminaire). Les transferts transversaux ne sont dûs qu'aux
phénomènes de conduction (pour le transfert thermique ou de matière) ou
au phénomène de viscosité pour la quantité de mouvement.
En fonction du type de transfert considéré, les paramètres de
cette formulation sont:
type de transfert |
flux spécifique
(unité SI) |
conductivité |
gradient |
Loi physique
de référence |
thermique |
de chaleur
(W/m²) |
conductivité
thermique
λ
(W/m/K) |
de température
ΔT/L
(K/m) |
loi de Fourier |
matière |
de matière
(mole/s/m²) |
coefficient de
diffusion
Dab
(m²/s) |
de concentration
ΔC/L
(mole/m3/m) |
loi de Fick |
quantité de mouvement (par viscosité)
(pour les fluides newtoniens) |
de mouvement
(N/m²) |
viscosité dynamique
µ
(Pa.s) |
de vitesse
U/L
(m/s/m) |
loi de Newton |
Transfert
par convection
Dans
le mécanisme de transfert par convection, la grandeur à transférer est
transportée vers l'interface par le fluide lui-même. Le mouvement du
fluide peut être dû à une agitation mécanique, des variations de
densité, un écoulement turbulent, ....
Le flux spécifique transporté vers l'interface est le produit d'une
vitesse par une capacité volumique.
Le flux spécifique transféré est le produit du flux transporté par la
quantité de potentiel cédé à l'interface.
flux spécifique =
conductance * différence de potentiel
type de transfert |
flux spécifique
(unité SI) |
conductance
(vitesse * capacité) |
différence |
thermique |
de chaleur
(W/m²) |
v.ρ.Cp
(W/m²/K) |
de température
ΔT
(K) |
matière |
de matière
(mole/s/m²) |
v
(m/s)
|
de concentration
ΔC
(mole/m3) |
quantité de mouvement (par inertie)
(pour les fluides newtoniens) |
de mouvement
(N/m²) |
v.ρ
(kg/m²/s) |
de vitesse
v - 0
(m/s) |
Transfert
global
Dans
un milieu agité ou en écoulement turbulent, le transport par les
tourbillons se superposent aux
transferts moléculaires, et sont généralement plus rapides.
flux spécifique =
coefficient de transfert * différence de potentiel
type de transfert |
flux spécifique
(unité SI) |
coefficient de
transfert |
différence |
thermique |
de chaleur
(W/m²) |
coefficient global
de transfert thermique
h
(W/m²/K) |
de température
ΔT
(K) |
matière |
de matière
(mole/s/m²) |
coefficient de
transfert matière
k
(mole m/s)
|
de concentration
ΔC
(mole/m3) |
quantité de mouvement
(pour les fluides newtoniens) |
de mouvement
(N/m²) |
b
(Pa.s/m)
|
de vitesse
U - 0
(m/s) |
Diffusivité
La diffusivité d'un fluide ou d'un matériau est définie comme le
rapport de sa conductivité sur sa capacité volumique . Elle peut être
vue comme l'aptitude à transmettre une variation de potentiel, ou
encore comme l'inertie du fluide.
La diffusivité peut se rapporter à chacun des trois types de transfert,
chaleur, matière et mouvement. La capacité volumique est le terme de
conductance de l'expression du transfert par convection divisé par la
vitesse locale:
type de transfert |
conductivité |
conductance |
diffusivité |
thermique |
conductivité
thermique
λ
(W/m/K) |
v.ρ.Cp
(W/m²/K) |
thermique
α = λ / ρ.Cp
(m²/s) |
matière |
coefficient de
diffusion
Dab
(m²/s) |
v
(m/s)
|
coefficient de
diffusion
Dab
(m²/s) |
quantité de mouvement
(pour les fluides newtoniens) |
viscosité dynamique
µ
(Pa.s) |
v.ρ
(kg/m²/s) |
viscosité cinématique
ν = µ / ρ
(m²/s) |
Les
nombres sans dimension usuels
La part du phénomène de turbulence dans le mécanisme de transfert est
la plus
difficile à modèliser et c'est pourquoi de nombreuses corrélations
expérimentales obtenues en laboratoire, sur des maquettes, sont
proposées pour représenter
l'efficacité de ces transferts. Elles sont basées
sur des nombres sans dimension.
pour
le transfert thermique
Nusselt (Nu)
En hommage au physicien allemand Ernst Kraft Wilhelm Nusselt pour ses
travaux sur le transfert thermique par convection.
Le nombre de Nusselt, caractérise l'intensité d'un transfert
thermique par convection. C'est le rapport de la densité de flux
thermique effectif
(
h.ΔT) à
ce qu'elle serait
en conduction pure (
λ.ΔT
/ L). Sa valeur est donc de 1 au minimum
(conduction
seule). Des valeurs proches de 1 sont représentatives d'un écoulement
laminaire du fluide, tandis que des valeurs de 100 à 1000 peuvent être
obtenues en écoulement turbulent.
De nombreux auteurs ont proposé des corrélations prédisant le nombre de
Nusselt en fonction des nombres de Reynolds, de Prandtl ou de Grashof.
Le nombre de Nusselt n'est pas directement utilisable. Seul le
coefficient de film (
h),
calculé à partir du nombre de Nusselt, est d'une utilité pratique.
Péclet thermique
(Peth)
Le
nombre de Péclet thermique correspond au rapport du transfert thermique
par convection (
v.ρ.Cp.ΔT) sur le
transfert thermique par
conduction (
λ.ΔT
/ L).
Les termes de vitesse locale du fluide (v) et de longueur (L)
de la couche limite n'étant pas connus, ils sont remplacés par
convention respectivement par la vitesse moyenne du fluide (U) et par
une longueur caractéristique de l'équipement.
Stanton thermique
(Stth)
Le nombre de Stanton thermique (St
th) correspond
au rapport du transfert
thermique total (
h.ΔT)
sur le transfert thermique par convection (
v.ρ.Cp.ΔT).
pour
le transfert de matière
Sherwood (Sh)
Le nombre de Sherwood correspond au rapport du transfert
de matière total
(k.ΔC)
sur le transfert de matière par
diffusion (
Dab.ΔC / L).
Le nombre de Sherwood est l'équivalent du nombre de Nusselt pour le
transfert de matière.
Péclet matière (Pemat)
Le nombre
de Péclet matériel correspond au rapport du transfert matériel par
convection (v.ΔC)
sur le transfert matériel par diffusion (Dab.ΔC / L).
Les termes de vitesse locale du fluide (v) et de longueur (L)
de la couche limite n'étant pas connus, ils sont remplacés par
convention respectivement par la vitesse moyenne du fluide (U) et par
une longueur caractéristique de l'équipement.
Stanton matière
(Stmat)
Le nombre de Stanton matière (Stmat)
correspond au rapport du transfert
massique total (k.ΔC)
sur le transfert massique par convection (v.ΔC).
pour
le transfert de mouvement
Reynolds (Re)
Le nombre de Reynolds (Re) compare les forces d'inertie et les forces
de viscosité qu'il faut vaincre pour mettre un fluide en mouvement.
C'est le rapport des quantités de mouvement transférées par inertie sur
celle transférée par viscosité.
Le
nombre de Reynolds est largement utilisé pour prédire le comportement
d'un fluide en écoulement. Par exemple à l'intérieur d'une conduite:
- Si Re est <1600 le régime d'écoulement est dit
laminaire; la perte
de charge générée est proportionelle au débit.
-
Si Re>2300, le régime d'écoulement est dit
turbulent; la perte
de
charge générée est proportionelle au carré du débit.
Froude (Fr)
Ainsi nommé en hommage à
William Froude pour ses travaux sur la relation entre la longueur des
navire et la résistance à leur avancement dans l'eau.
Le nombre de Froude compare
les forces d'inertie et les forces gravitationnelles. Il caractérise
l'importance relative des forces liées à la vitesse par rapport à la
force de pesanteur.
Il est principalement utilisé pour caractériser les écoulements à
surface libre (écoulement en caniveau par exemple) ou les écoulements
en milieu agité.
Dans
les canneaux ouvert, avec Lc représentant la profondeur du flux, le
régime est qualifié de "fluvial" si Fr<1 et de "torrentiel" si
Fr>1.
Dans les milieux agités, avec N représentant la vitesse de
rotation de l'agitateur, et D son diamètre, Fr doit être plus grand que
1 pour générer des mouvements de convection dans le milieu.
Grashof (Gr)
Le nombre de Grashof est le
rapport de l'effet de flottation dû à la poussée d'Archimède sur
l'effet de la résistance à l'écoulement. Il est utilisé pour les
modèlisations de phénomènes impliquant une convection naturelle générée
par une variation de température du fluide.
Le mouvement du fluide
dépend de sa densité, sa viscosité, son
coefficient de dilatation, la dimension de la paroi et le
gradient de température. L'écoulement est laminaire si Gr<10
9
Archimède (Ar)
Très similaire au nombre
de Grashof il caractérise le mouvement d'un corps dans un fluide dû à
leur différence de densité. Il est utilisé pour les
modèlisations de phénomènes n' impliquant pas de variation de
température.
Le mouvement du corps
dépend des densités du corps et du fluide, ainsi que la viscosité du fluide.
Mach
Le
nombre de Mach exprime le rapport entre les forces d'inertie et les
forces élastiques. En pratique le nombre de Mach est le rapport de la
vitesse locale d'un fluide sur la vitesse du son dans ce fluide.
Le nombre de Mach est important pour les écoulements de fluides
compressibles à haute vitesse. Pour:
- Ma > 1 l'écoulement est dit supersonique
- Ma < 1 l'écoulement est dit subsonique
-
Ma < 0,3 l'écoulement peut être assimilé à celui d'un fluide
incompressible. Le nombre de Reynolds (Re) doit alors être pris en
compte.
pour
les transferts simultanés
Prandtl (Pr)
En hommage au physicien allemand Ludwig
Prandtl. Le nombre de Prandtl (Pr) compare la diffusivité du mouvement
(
µ / ρ) et
la diffusivité thermique (
λ
/ Cp.ρ)
au sein d'un fluide.
C'est une caractéristique
intrinsèque
d'un fluide. Un fluide peu visqueux et conducteur de la chaleur
présentera un Pr faible, tandis qu'au contraire un fluide visqueux et
peu conducteur présentera un Pr élevé. Les gaz présentent un Pr proche
de 0,75.
Fluide |
Pr |
Eau à 20°C |
7,0 |
Eau à 100°C |
1,75 |
Eau à 250°C |
0,87 |
Air à 0°C et Patm |
0,715 |
Air à 120°C et Patm |
0,70 |
Air à 250°C et Patm |
0,68 |
Rayleigh (Ra)
Le nombre de Rayleigh est la combinaison des nombres de Prandtl (Pr) et de Grashof (Gr): Ra = Gr × Pr
Il
caractérise le régime d'écoulement d'un fluide en convection naturelle.
Une valeur basse indique un régime laminaire, tandis qu'une valeur
élevée indique un régime turbulent. En dessous d'une valeur critique,
il n'y a pas de mouvement.
Schmidt (Sc)
Du nom de l'ingénieur allemand Ernst
Heinrich Wilhelm Schmidt. Le nombre de Schmidt est
l'équivalent du nombre de Prandtl pour le
transfert matière.
Le nombre de Schmidt (Sc) compare la diffusivité du mouvement
(
µ / ρ) et
la diffusivité moléculaire (
Dab) d'une espèce
au sein d'un fluide.
Quelques exemples de valeurs pour le nombre de Schmidt
Espèce diffusant dans l'air |
Sc à 25°C |
Espèce diffusant dans l'eau |
Sc à 25°C |
Hydrogène |
0,37 |
Hydrogène |
185 |
Vapeur d'eau |
0,59 |
Oxygène |
558 |
Dioxyde de carbone |
0,93 |
Dioxyde de carbone |
468 |
n-octane |
2,5 |
Chlorure de sodium |
745 |
Lewis (Le)
Le nombre de Lewis (Le) est le rapport de la diffusivité thermique (α =
λ / ρ.Cp) sur la
diffusivité de moléculaire (
Dab).
Variables et
Unités
Variable |
Dimension |
Unité SI |
h: coefficient de film |
MT-3θ-1 |
W/m²/K |
Cp: capacité calorifique du
fluide |
L2T-2θ-1 |
J/kg/K |
Tf, Tp: température du fluide ou de la paroi |
θ |
K |
λ: conductivité thermique du fluide |
MLT-3θ-1 |
W/m/K |
Lc: longueur caractéristique
dans l'expression des nombres sans dimension |
L |
m |
D: diamètre de la tuyauterie ou bien diamètre
hydraulique équivalent =4A/C |
L |
m |
A: section de passage |
L2 |
m² |
C: concentration |
NL-3 |
mole/m3 |
F: débit du fluide |
L3T-1 |
kg/sec |
U: vitesse du fluide |
LT-1 |
m/sec |
ρ: masse volumique du fluide |
ML-3 |
kg/m3 |
v: vitesse locale du fluide |
LT-1 |
m/sec |
γ: Cp/Cv: rapport des capacités calorifiques à
pression constante (Cp) et à volume constant (Cv) |
- |
- |
µ: viscosité dynamique du fluide |
ML-1T-1 |
Poiseuille (Pl)
Pa.sec |
ν: viscosité cinématique |
L2T-1 |
m²/s |
β: coefficient de dilatation cubique du fluide |
θ-1
|
m3/m3/K |
g: accélération due à la pesanteur |
LT-2 |
m/sec2 |
Dab: diffusivité de a dans b |
L2T-1 |
m²/s |
k: coefficient global de transfert de matière |
LT-1 |
m/s |
N: vitesse de rotation |
T-1 |
s-1 |
M: masse
L: longueur
T: temps θ: température
N: quantité de matière |