Physique
Les oscillations de températures dopent la
convection
Le transfert thermique par convection augmente significativement lorsqu’un fluide est
soumis à une température oscillante plutôt que constante.
SYLVAIN GUILBAUD | 07 juin 2022 | POUR LA SCIENCE N° 536 | Temps de lecture : 3 mn
La convection est un phénomène que l’on retrouve partout, dans une casserole, dans les étoiles, dans le
manteau terrestre, dans l’atmosphère, etc. Dans ce dernier cas, les masses d’air sont mises en mouvement
notamment par des différences de température en fonction de l’altitude. La convection est un moteur
puissant de la formation des nuages et des cyclones.
© Cammie Czuchnicki/Shutterstock
L
e phénomène de convection est bien connu de tous : on l’observe quand on fait
bouillir de l’eau dans une casserole. L’eau au fond, plus chaude, remonte et libère son
surplus d’énergie près de la surface, plus froide, avant de redescendre. Ce mode de
transfert de l’énergie thermique se manifeste à des échelles beaucoup plus grandes, comme
dans l’atmosphère et les océans, et joue un rôle primordial dans la dynamique de la
planète. Ce processus est donc étudié depuis longtemps en physique, et décrit par le
modèle de Rayleigh-Bénard. Mais un cas était jusque-là mal connu : celui où la
température d’une des couches oscille dans le temps, comme le sol de la Terre soumis aux
alternances du jour et de la nuit. Ladislav Skrbek, de l’université Charles, à Prague, en
République tchèque, et ses collègues viennent de montrer que le transfert d’énergie
thermique peut être plus important en cas d’oscillation de température que dans le cas où
la température reste constante.
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Cela semble a priori contre-intuitif, dans la mesure où la température moyenne est la même
dans les deux cas. En outre, le phénomène est difficile à mettre en évidence. Lors d’une
expérience en 2008, Joseph Niemela et Katepalli Sreenivasan, du centre de physique
théorique Abdus Salam, à Trieste, en Italie, n’avaient pas observé cet effet. La question a
été relancée en 2020, quand l’équipe de Detlef Lohse, de l’université de Twente, aux PaysBas, a prédit grâce à des simulations numériques que cet effet devait provoquer une
augmentation du flux thermique allant jusqu’à 25 %, un facteur loin d’être négligeable.
Pour en savoir plus, l’équipe de Ladislav Skrbek a mis au point une nouvelle expérience. Les
chercheurs ont utilisé une cuve cylindrique de 30 centimètres de hauteur et de largeur,
bardée de capteurs de température et remplie d’hélium gazeux à température cryogénique
(5 kelvins). La cuve est fermée en haut et en bas par deux plaques de cuivre dont la
température peut être soit fixée, soit modulée entre 4,7 et 5,1 kelvins. Ces conditions ont
été choisies de sorte que le fluide réagisse le plus rapidement possible aux oscillations de
température appliquée à une des plaques. Par ailleurs, en jouant sur les paramètres du
dispositif, les chercheurs ont influé sur l’intensité de la convection, une grandeur
caractérisée par le nombre de Rayleigh. Un nombre de Rayleigh élevé signifie que les
mouvements du fluide sous forme de panaches convectifs sont turbulents.
Dans les simulations numériques (réalisées en deux dimensions, hormis un cas plus
réaliste à trois dimensions), l’augmentation du transfert thermique était observée pour une
large gamme de fréquences d’oscillation de la température et du nombre de Rayleigh. Selon
l’interprétation de l’équipe de Detlef Lohse, dans la phase où la température augmente, la
couche limite du fluide qui jouxte la plaque chauffante est fortement déstabilisée. Elle
émet alors des panaches convectifs plus énergétiques vers le haut, comparé au cas où la
température reste constante.
Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec le cas réaliste des simulations, et
montrent aussi une augmentation du transfert thermique sur une large plage de
fréquences et d’amplitudes des oscillations de température et du nombre de Rayleigh. Les
physiciens soupçonnent d’ailleurs que l’amplitude des oscillations de température était
trop faible dans l’expérience de 2008 pour observer cette augmentation. Reste à estimer à
quel point cet effet influe sur les transferts thermiques par convection dans l’atmosphère et
les océans, afin de mieux modéliser les phénomènes climatiques.
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Auteur
Sylvain Guilbaud
Sylvain Guilbaud est journaliste scientifique.
Matériaux
Comment les tissus sèchent
Biophysique
Comment s’enroule la coquille des mollusques
En savoir plus
P. Urban et al., Thermal waves and heat transfer efficiency enhancement in harmonically
modulated turbulent thermal convection, Physical Review Letters, 2022.
R. Yang et al., Periodically modulated thermal convection, Physical Review Letters, 2020.
J. J. Niemela and K. R. Sreenivasan, Formation of the “superconducting” core in turbulent
thermal convection, Physical Review Letters, 2008.
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