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1. 1 Convection-diffusion thermique La convection thermique Considérons un flux d'air à la vitesse $U$ entre deux plaques et notons $T$ la température. Les conditions aux limites traduisent un échange thermique entre l'intérieur de l'ouvert $\Omega $ et l'extérieur qui est à la température $T_{ext}$. Les notations sont celles introduites au cours 1. Equation diffusion thermique des bâtiments. La température dans $\Omega $ est à chaque instant, solution du modèle: \[ \boxed {\begin{array}{l} \overbrace{\varrho c_ v[\displaystyle \frac{\partial T}{\partial t}}^{inertie} + \overbrace{U\displaystyle \frac{\partial T}{\partial x_1}}^{convection}] - \overbrace{div(k\nabla T)}^{\hbox{diffusion}} = \overbrace{r}^{\hbox{ source}}, \hbox{ dans}\Omega, \\ k\displaystyle \frac{\partial T}{\partial \nu}=\xi (T_{ext}-T)\hbox{sur}\partial \Omega, \\ \hbox{ et la température initiale est} T(x, 0)=T_0(x). \end{array}} \] ( $\xi {>}0;k{>}0, \varrho c_ v{>}0$ supposés constants pour simplifier) Le système physique

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Il est donc décrit par une équation de type diffusion, la loi de Fourier: où est la conductivité thermique (en W m −1 K −1), une quantité scalaire qui dépend de la composition et de l' état physique du milieu à travers lequel diffuse la chaleur, et en général aussi de la température. Elle peut également être un tenseur dans le cas de milieux anisotropes comme le graphite. Equation diffusion thermique examples. Si le milieu est homogène et que sa conductivité dépend très peu de la température [ a], on peut écrire l'équation de la chaleur sous la forme: où est le coefficient de diffusion thermique et le laplacien. Pour fermer le système, il faut en général spécifier sur le domaine de résolution, borné par, de normale sortante: Une condition initiale:; Une condition aux limites sur le bord du domaine, par exemple: condition de Dirichlet:, condition de Neumann:, donné. Résolution de l'équation de la chaleur par les séries de Fourier [ modifier | modifier le code] L'une des premières méthodes de résolution de l'équation de la chaleur fut proposée par Joseph Fourier lui-même ( Fourier 1822).

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On considère le cas simplifié de l'équation en une dimension, qui peut modéliser le comportement de la chaleur dans une tige. L'équation s'écrit alors: avec T = T ( x, t) pour x dans un intervalle [0, L], où L est la longueur de la tige, et t ≥ 0. On se donne une condition initiale: et des conditions aux limites, ici de type Dirichlet homogènes:. L'objectif est de trouver une solution non triviale de l'équation, ce qui exclut la solution nulle. On utilise alors la méthode de séparation des variables en supposant que la solution s'écrit comme le produit de deux fonctions indépendantes: Comme T est solution de l'équation aux dérivées partielles, on a: Deux fonctions égales et ne dépendant pas de la même variable sont nécessairement constantes, égales à une valeur notée ici −λ, soit: On vérifie que les conditions aux limites interdisent le cas λ ≤ 0 pour avoir des solutions non nulles: Supposons λ < 0. Équation de la chaleur — Wikipédia. Il existe alors des constantes réelles B et C telles que. Or les conditions aux limites imposent X (0) = 0 = X ( L), soit B = 0 = C, et donc T est nulle.

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Ici, l'équation de la chaleur en deux dimensions permet de voir que l'interaction entre deux zones de températures initiales différentes (la zone haute en rouge est plus chaude que la zone basse en jaune) va faire que la zone chaude va se refroidir graduellement, tandis que la zone froide va se réchauffer, jusqu'à ce que la plaque atteigne une température uniforme.

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°C); le gradient de température est une grandeur vectorielle indiquant la façon dont la température varie dans l'espace, exprimée en °C/m. Autres transferts de chaleur Pour un système solide, seul ce processus de transfert par conduction est possible. Pour un système fluide (liquide ou gazeux) il peut aussi se produire des transferts d'énergie par transport de matière, ce processus est appelé convection de la chaleur. Calcul de déperditions dans l'application de la loi de Fourier Cette loi est utilisée pour le calcul des consommations de chauffage d'un bâtiment. Plus précisément, pour le calcul des déperditions à travers les parois du bâtiment. Introduction aux transferts thermiques/Équation de la chaleur — Wikiversité. Simplification du gradient de température Pour calculer le flux de chaleur et donc les déperditions à travers une paroi, comme par exemple le mur d'une maison, on va simplifier l'équation de fourrier, vue ci-dessus. Ainsi, on exprimera le gradient de température de la façon suivante: Introduction de la résistance thermique Pour faciliter le calcul, en particulier dans le cas de paroi composée de plusieurs matériaux (ce qui est le cas la plupart du temps), les thermiciens ont créé la notion de résistance thermique symbolisée « R ».

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Le calcul des déperditions thermiques à travers une paroi d'un bâtiment, comme un mur par exemple, utilise la loi de Fourier. Loi de Fourier: principe Définition La loi de Fourier (1807) décrit le phénomène de conductivité thermique, c'est-à-dire la description de la diffusion de la chaleur à travers un matériau solide. Equation diffusion thermique unit. Fourier a découvert que le flux de chaleur qui traverse un matériau d'une face A à une face B est toujours proportionnel à l'écart de température entre les 2 faces: Si le matériau a une température homogène (pas d'écart de température), il n'y a pas de flux de chaleur. Si en revanche le matériau est soumis à une différence de température, on dit alors que « le système est en état de déséquilibre ». Un flux de chaleur va alors se créer, du plus chaud vers le plus froid, tendant à uniformiser la température. Et ce flux est proportionnel à cette différence de température. Équation L'équation de la loi de Fourier s'écrit de la manière suivante: Le flux de chaleur est exprimé en Watts; la surface de contact est exprimée en m²; la conductivité thermique (symbolisée l) traduit l'aptitude à conduire la chaleur, exprimée en Watt/(m.

Problèmes inverses [ modifier | modifier le code] La solution de l'équation de la chaleur vérifie le principe du maximum suivant: Au cours du temps, la solution ne prendra jamais des valeurs inférieures au minimum de la donnée initiale, ni supérieures au maximum de celle-ci. L'équation de la chaleur est une équation aux dérivées partielles stable parce que des petites perturbations des conditions initiales conduisent à des faibles variations de la température à un temps ultérieur en raison de ce principe du maximum. Cours 9: Equation de convection-diffusion de la chaleur: Convection-diffusion thermique. Comme toute équation de diffusion l'équation de la chaleur a un effet fortement régularisant sur la solution: même si la donnée initiale présente des discontinuités, la solution sera régulière en tout point de l'espace une fois le phénomène de diffusion commencé. Il n'en va pas de même pour les problèmes inverses tels que: équation de la chaleur rétrograde, soit le problème donné où on remplace la condition initiale par une condition finale du type; la détermination des conditions aux limites à partir de la connaissance de la température en divers points au cours du temps.