L’oscillation de température augmente le flux de chaleur

L'oscillation de température augmente le flux de chaleur
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Si le gradient de température dans un fluide oscille, la chaleur le traverse plus efficacement, selon des expériences qui peuvent être pertinentes pour les modèles climatiques.

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La physique thermique est groovy. Une lampe à lave subit une convection de Rayleigh-Bénard. Les gouttes chauffent à plusieurs reprises en bas, montent, refroidissent en haut, puis coulent. Des expériences de convection avec de l’hélium cryogénique ont démontré les effets thermiques d’une différence de température oscillante entre le haut et le bas d’une chambre remplie de fluide.La physique thermique est groovy. Une lampe à lave subit une convection de Rayleigh-Bénard. Les gouttes chauffent à plusieurs reprises en bas, montent, refroidissent en haut, puis coulent. Des expériences de convection avec de l’hélium cryogénique ont démontré les effets thermiques d’une te… Montre plus

Une différence de température oscillante entre deux couches de fluide, comme les gaz de l’atmosphère terrestre, a un effet important sur leurs propriétés thermiques, selon de nouvelles expériences [1]. Les mesures de température du gaz hélium froid montrent que la chaleur circule plus efficacement lorsque la température oscille que lorsqu’elle est statique. L’effet a été prédit théoriquement mais a été difficile à observer dans les expériences. Une meilleure compréhension de ces propriétés pourrait aider les chercheurs à développer des modèles météorologiques planétaires plus sophistiqués et à concevoir des échangeurs de chaleur plus efficaces, des dispositifs impliqués dans le chauffage et le refroidissement de nombreux types d’équipements.

Les conditions météorologiques sur Terre peuvent être modélisées par une configuration simple : un fluide pris en sandwich entre deux plaques plates, la plaque inférieure étant plus chaude que la supérieure. La plaque inférieure représente la surface chaude de la Terre ; la plaque supérieure représente le vide glacial de l’espace extra-atmosphérique. Le fluide chauffant près de la plaque inférieure monte et le fluide refroidissant près de la plaque supérieure descend. Les tourbillons se forment et s’organisent pour permettre au fluide de s’écouler selon un schéma alterné de courants d’air ascendants et descendants, comme des voies de circulation routière en sens opposé.

Analyse pour la première fois par Lord Rayleigh en 1916, cette soi-disant convection de Rayleigh-Bénard a été un modèle classique de convection en raison de sa simplicité relative et de son applicabilité à de nombreux types de phénomènes naturels. Mais il manque des détails importants. Sur Terre, par exemple, la température du sol oscille, se réchauffant le jour et se refroidissant la nuit. Ainsi, la convection atmosphérique de la Terre serait mieux modélisée par la «convection de Rayleigh-Bénard modulée dans le temps», où la température de la plaque inférieure oscille.

Un autre élément important de ces modèles est le flux de chaleur vertical. Comprendre comment le flux ascendant de chaleur, ou « transfert de chaleur », est affecté par les variations temporelles est essentiel pour modéliser avec précision le changement climatique. Par exemple, la convection de Rayleigh-Bénard dans l’océan est en partie responsable de la fonte des calottes glaciaires, et l’efficacité du transfert de chaleur de ces courants convectifs détermine le taux de fonte.

En 2020, une équipe de théoriciens dirigée par Detlef Lohse de l’Université de Twente aux Pays-Bas a ajouté une différence de température oscillante à leurs simulations numériques de convection [2]. Ils ont découvert que l’oscillation augmentait l’efficacité du transfert de chaleur entre les deux plaques. L’explication était que l’oscillation déstabilise la soi-disant couche limite de fluide très proche des plaques, permettant aux gouttes de fluide de se pincer plus facilement de ces deux régions. Les gouttes chaudes de la plaque inférieure peuvent efficacement fournir de la chaleur vers le haut. Lohse et ses collègues ont découvert que la modulation peut augmenter l’efficacité du transfert de chaleur jusqu’à 25 % par rapport à une configuration avec des températures statiques. Des expériences précédentes avaient observé une convection modulée dans le temps en laboratoire [3] mais n’ont pas été en mesure de produire une amplitude d’oscillation suffisamment grande pour voir l’efficacité améliorée du transfert de chaleur prédite par Lohse et ses collègues.

Lampe à lave à l’hélium. Skrbek et ses collègues ont pris en sandwich de l’hélium gazeux cryogénique entre deux plaques de cuivre, la température de la plaque supérieure du refroidisseur oscillant dans le temps. Ils ont placé 12 sondes de température (non illustrées) stratégiquement dans le cylindre de cuivre de 30 cm de haut et 30 cm de large. Des éléments chauffants sur la plaque supérieure (rainure en spirale) et la plaque inférieure (non illustrées) permettaient un contrôle précis de la température.Lampe à lave à l’hélium. Skrbek et ses collègues ont pris en sandwich de l’hélium gazeux cryogénique entre deux plaques de cuivre, la température de la plaque supérieure du refroidisseur oscillant dans le temps. Ils ont placé 12 sondes de température (non illustrées) stratégiquement tout au long du 30-c… Montre plus

Ladislav Skrbek de l’Université Charles en République tchèque et Pavel Urban de l’Académie tchèque des sciences et leurs collègues ont entrepris de vérifier ces prédictions numériques en utilisant un fluide qui permettait une gamme de fréquences et d’amplitudes de modulation plus large que les expériences précédentes ne pouvaient atteindre. Ils ont utilisé du gaz hélium à des températures inférieures à 6 K pris en sandwich entre deux plaques de cuivre, la température de l’une des plaques oscillant dans le temps. À ces basses températures, les propriétés thermiques du cuivre le rendent particulièrement réactif aux changements de température, ce qui a permis à l’équipe d’atteindre des amplitudes de modulation aussi élevées que 0,4 K et des fréquences de 0,006 Hz à 0,2 Hz. L’équipe a découvert que la modulation améliorait l’efficacité du transfert de chaleur jusqu’à 20 % sur une large gamme de fréquences.

Les chercheurs ont placé 12 capteurs de température dans la chambre cryogénique, ce qui leur a permis d’observer de nouveaux détails sur les schémas d’écoulement. Les données ont montré que les ondes thermiques se propageaient à travers le fluide avec presque aucune atténuation, confirmant une prédiction antérieure.

Le physicien des fluides Katepalli Sreenivasan de l’Université de New York affirme que les nouveaux résultats fournissent des informations importantes qui n’étaient pas disponibles dans les expériences précédentes (réalisées par lui et un collègue) [3]. En plus d’améliorer la modélisation des courants océaniques et des systèmes météorologiques sur Terre et sur d’autres planètes, les chercheurs pensent que ces travaux susciteront de nouvelles conceptions d’échangeurs de chaleur. Selon Joerg Schumacher de l’Université de technologie d’Ilmenau en Allemagne, « Si vous pouvez évacuer 20 % de chaleur en plus d’un système, c’est déjà quelque chose.

–Katie McCormick

Katie McCormick est une rédactrice scientifique indépendante basée à Seattle, Washington.

Les références

  1. P. Urbain et coll.“Amélioration de l’efficacité des ondes thermiques et du transfert de chaleur dans la convection thermique turbulente harmoniquement modulée”, Lettres d’examen physique 128134502 (2022).
  2. R.Yang et coll.“Convection thermique modulée périodiquement,” Lettres d’examen physique 125154502 (2020).
  3. JJ Niemela et KR Sreenivasan, “Formation du noyau “supraconducteur” dans la convection thermique turbulente”, Lettres d’examen physique 100184502 (2008).

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