3. La convection naturelle
La convection naturelle (ou libre) est le transport de chaleur dû à des mouvements de fluide provoqués par un champ de pesanteur (ou de force centrifuge). On distingue entre convection naturelle interne, qui a lieu dans une enceinte fermée à paroi non isotherme, et convection naturelle externe, qui se produit au voisinage des parois d'un corps dont la température est différente de celle de l'ambiance.
La convection interne prend naissance lorsque des perturbations du champ de températures correspondant à un régime de conduction pure croissent au lieu de s'amortir. Cela se produit pour une certaine valeur critique d'un nombre sans dimensions, le nombre de Rayleigh :
Lorsque le nombre de Rayleigh est supérieur à sa valeur critique, le flux de chaleur qui traverse l'enceinte est supérieur à celui qu'on aurait eu par conduction seule, et le rapport des deux flux croît en fonction du nombre de Rayleigh. Cette augmentation de flux est due à la présence de tourbillons en rouleaux ou polyédriques (tourbillons de Bénard).
La convection externe se produit au voisinage d'un objet à température différente de l'ambiance. Le champ de températures provoqué par la conduction entraîne une poussée d'Archimède qui met en mouvement vers le haut les parties les plus chaudes du fluide. En régime permanent, le transfert de chaleur s'effectue donc à la fois par conduction et par transport d'enthalpie.
Le flux de chaleur à partir du corps chauffé (ou refroidi) est sous la dépendance de deux nombres sans dimensions, le nombre de Grashof :
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