Estimation de la viscosité des gaz sous pression

Dans ce dossier, nous allons développer des méthodes de calcul de la viscosité des gaz purs en fonction de la température et de la pression ou de la masse volumique. Nous rapellons que le domaine gazeux comprend la région du diagramme de phases en dessous de la courbe de transition liquide-vapeur et celle au-delà de la température critique. Les figures 2 et 3 du dossier ont montré que la variation de la viscosité était faible en fonction de la pression ou de la masse volumique. Par exemple, pour le dioxyde de carbone au-dessus de la température critique, elle varie en fonction de la pression entre 0,7 µPa·s/MPa à 320 K et 0,2 µPa·s/MPa à 1 100 K. Pour l’azote, autour de la masse volumique critique, la variation est de l’ordre de 0,05 µPa·s/(kg·m^-3).

Les théories, qui ont été développées pour prédire les coefficients de transport dans les gaz denses, sont si complexes, qu’il a été nécessaire de faire une série d’approximations, dans le but d’obtenir des expressions qui peuvent être évaluées numériquement. Dans de nombreux cas, ces approximations sont dictées par des commodités mathématiques plutôt que physiques.

Parmi ces théories, une seule a été largement utilisée pour représenter la variation de viscosité en fonction de la pression : la théorie d’Enskog. Les molécules du gaz sont assimilées à des sphères dures, en interaction purement répulsive. Elle s’applique aux gaz à des pressions élevées, en général supérieures à 100 MPa.

La viscosité des gaz aux pressions modérées a été déterminée à partir de relations déduites de la théorie d’Enskog modifiée qui prend en compte une composante attractive supplémentaire venant s’ajouter à la composante purement répulsive considérée précédemment. Les corrélations ainsi définies sont en fait des expressions du viriel de la viscosité, elles proposent une méthode pour calculer le premier coefficient du viriel et elles sont en bon accord avec les résultats expérimentaux jusqu’à la pression critique.

Pour représenter la viscosité au-delà de la pression critique, de nombreuses corrélations empiriques ont été proposées, elles sont basées sur les états correspondants. Les variables viscosités, températures, pressions, masses volumiques sont réduites par leurs valeurs respectives au point critique et des corrélations sont calculés à partir d’une analyse des données expérimentales de gaz sélectionnés.

Des tableaux représentant la viscosité en fonction de la température et de la pression, pour plusieurs composés inorganiques et organiques, dans les domaines liquides et gazeux, font l’objet d’un autre dossier.