Qu'il s'agisse d'eau s'écoulant à travers une plaque de condenseur dans une installation industrielle, ou soufflage d'air à travers les conduits de chauffage et de refroidissement, le flux de fluide sur des surfaces planes est un phénomène au cœur de nombreux processus de la vie moderne. Encore, aspects de ce processus ont été mal compris, et certains ont été mal enseignés à des générations d'étudiants en génie, une nouvelle analyse montre.

L'étude a examiné plusieurs décennies de recherches et d'analyses publiées sur les écoulements de fluides. Il a trouvé que, alors que la plupart des manuels de premier cycle et des cours en classe sur le transfert de chaleur décrivent un tel flux comme ayant deux zones différentes séparées par une transition abrupte, en fait, il y a trois zones distinctes. Une longue zone de transition est tout aussi importante que la première et la dernière zone, disent les chercheurs.

L'écart a à voir avec le décalage entre deux façons différentes dont les fluides peuvent s'écouler. Lorsque de l'eau ou de l'air commence à s'écouler le long d'un plat, feuille solide, une fine couche limite se forme. Au sein de cette couche, la partie la plus proche de la surface bouge à peine à cause du frottement, la partie juste au dessus qui coule un peu plus vite, etc, jusqu'à un point où il se déplace à la pleine vitesse du flux d'origine. Cette constante, l'augmentation progressive de la vitesse à travers une mince couche limite est appelée écoulement laminaire. Mais plus en aval, le flux change, se brisant en tourbillons et tourbillons chaotiques connus sous le nom d'écoulement turbulent.

Les propriétés de cette couche limite déterminent dans quelle mesure le fluide peut transférer la chaleur, qui est la clé de nombreux processus de refroidissement tels que pour les ordinateurs hautes performances, usines de dessalement, ou des condenseurs de centrales électriques.

Les élèves ont appris à calculer les caractéristiques de tels écoulements comme s'il y avait un changement soudain d'un écoulement laminaire à un écoulement turbulent. Mais John Lienhard, le professeur Abdul Lateef Jameel d'eau et de génie mécanique au MIT, a fait une analyse minutieuse des données expérimentales publiées et a constaté que cette image ignore une partie importante du processus. Les résultats viennent d'être publiés dans le Journal de transfert de chaleur .

L'examen des données de transfert de chaleur par Lienhard révèle une zone de transition significative entre les écoulements laminaires et turbulents. La résistance au flux thermique de cette zone de transition varie progressivement entre celles des deux autres zones, et la zone est tout aussi longue et distinctive que la zone d'écoulement laminaire qui la précède.

Les résultats pourraient potentiellement avoir des implications pour tout, de la conception d'échangeurs de chaleur pour le dessalement ou d'autres processus à l'échelle industrielle, à comprendre le flux d'air à travers les moteurs à réaction, dit Lienhard.

En réalité, bien que, la plupart des ingénieurs travaillant sur de tels systèmes comprennent l'existence d'une longue zone de transition, même si ce n'est pas dans les manuels de premier cycle, Notes de Lienhard. Maintenant, en clarifiant et en quantifiant la transition, cette étude aidera à aligner la théorie et l'enseignement sur la pratique réelle de l'ingénierie. "La notion de transition brutale est ancrée dans les manuels et les salles de classe de transfert thermique depuis 60 ou 70 ans, " il dit.

Les formules de base pour comprendre l'écoulement le long d'une surface plane sont les fondements fondamentaux de toutes les situations d'écoulement plus complexes telles que l'écoulement d'air sur une aile d'avion incurvée ou une pale de turbine, ou pour refroidir les véhicules spatiaux lorsqu'ils rentrent dans l'atmosphère. "La surface plane est le point de départ pour comprendre comment ces choses fonctionnent, " dit Lienhard.

La théorie des surfaces planes a été énoncée par le chercheur allemand Ernst Pohlhausen en 1921. Mais même ainsi, "Les expériences de laboratoire ne correspondaient généralement pas aux conditions aux limites supposées par la théorie. Une plaque de laboratoire peut avoir un bord arrondi ou une température non uniforme, donc les enquêteurs dans les années 40, 50 ans, et les années 60 ont souvent « ajusté » leurs données pour forcer l'accord avec cette théorie, " dit-il. Les divergences entre des données par ailleurs bonnes et cette théorie ont également conduit à de vifs désaccords parmi les spécialistes de la littérature sur le transfert de chaleur.

Lienhard a découvert que des chercheurs du ministère de l'Air britannique avaient identifié et partiellement résolu le problème des températures de surface non uniformes en 1931. "Mais ils n'ont pas été en mesure de résoudre complètement l'équation qu'ils ont dérivée, " dit-il. " Cela a dû attendre que les ordinateurs numériques puissent être utilisés, à partir de 1949." Pendant ce temps, les querelles entre spécialistes couvaient.

Lienhard dit qu'il a décidé de jeter un œil à la base expérimentale des équations qui étaient enseignées, réalisant que les chercheurs savent depuis des décennies que la transition a joué un rôle important. "Je voulais tracer des données avec ces équations. De cette façon, les élèves pouvaient voir à quel point les équations fonctionnaient ou ne fonctionnaient pas, " dit-il. " J'ai regardé la littérature expérimentale jusqu'en 1930. La collecte de ces données a rendu quelque chose de très clair :ce que nous enseignions était terriblement simplifié. étaient parfois éteints.

Maintenant, avec cette nouvelle analyse, les ingénieurs et les étudiants seront capables de calculer avec précision la température et le flux de chaleur sur une très large gamme de conditions d'écoulement et de fluides, dit Lienhard.