Комбинированная принудительная и естественная конвекция.

В жидкости термодинамике комбинированная вынужденная конвекция и естественная конвекция или смешанная конвекция возникают, когда естественной конвекции и вынужденной конвекции механизмы действуют вместе для передачи тепла . Это также определяется как ситуации, когда взаимодействуют как давления силы , так и выталкивающие силы. Насколько каждая форма конвекции способствует передаче тепла, во многом определяется потоком , температурой , геометрией и ориентацией. Природа жидкости также имеет влияние, поскольку число Грасгофа увеличивается в жидкости с увеличением температуры, но в какой-то момент достигает максимума для газа .

Характеристика

Задачи смешанной конвекции характеризуются числом Грасгофа (для естественной конвекции) и числом Рейнольдса (для вынужденной конвекции). Относительное влияние плавучести на смешанную конвекцию можно выразить через число Ричардсона :

$\mathrm {Ri} ={\frac {\mathrm {Gr} }{\mathrm {Re} ^{2}}}$

Соответствующие масштабы длины для каждого безразмерного числа должны выбираться в зависимости от задачи, например, вертикальная длина для числа Грасгофа и горизонтальная шкала для числа Рейнольдса. Малые числа Ричардсона характеризуют поток, в котором преобладает вынужденная конвекция. Числа Ричардсона выше, чем $\mathrm {Ri} \approx 16$ указывают на то, что задача потока представляет собой чистую естественную конвекцию и влиянием вынужденной конвекции можно пренебречь.

Как и в случае естественной конвекции, характер смешанного конвекционного течения сильно зависит от теплопередачи (поскольку плавучесть является одним из движущих механизмов), и значительную роль играют эффекты турбулентности.

Случаи

Из-за широкого диапазона переменных были опубликованы сотни статей об экспериментах с различными типами жидкостей и геометрий. Из-за этого разнообразия сложно получить полную корреляцию, а если и получается, то обычно в очень ограниченных случаях. Однако комбинированную вынужденную и естественную конвекцию можно описать одним из трех способов.

Двумерная смешанная конвекция со вспомогательным потоком

В первом случае естественная конвекция способствует принудительной конвекции. Это видно, когда плавучее движение направлено в том же направлении, что и вынужденное движение, что ускоряет пограничный слой и улучшает теплообмен. Однако переход к турбулентности может быть отложен. Примером этого может служить вентилятор, дующий вверх на горячую плиту. Поскольку тепло естественным образом повышается, воздух, нагнетаемый вверх над пластиной, усиливает теплообмен.

Двумерная смешанная конвекция с встречным потоком

Во втором случае естественная конвекция действует противоположно вынужденной конвекции. Представьте себе вентилятор, нагнетающий воздух вверх над холодной тарелкой. В этом случае выталкивающая сила холодного воздуха естественным образом заставляет его падать, но воздух, выталкиваемый вверх, противодействует этому естественному движению. В зависимости от числа Ричардсона пограничный слой на холодной пластине имеет меньшую скорость, чем набегающий поток, или даже ускоряется в противоположном направлении. Таким образом, этот второй случай смешанной конвекции испытывает сильный сдвиг в пограничном слое и быстро переходит в состояние турбулентного потока.

Трехмерная смешанная конвекция

Третий случай называется трехмерной смешанной конвекцией. Этот поток возникает, когда плавучее движение действует перпендикулярно вынужденному движению. Примером этого случая является горячая вертикальная плоская пластина с горизонтальным потоком, например, поверхность центрального приемника солнечной тепловой энергии. Пока набегающий поток продолжает движение в заданном направлении, пограничный слой на пластине ускоряется в направлении вверх. В этом случае течения основную роль в ламинарно-турбулентном переходе играет плавучесть, а приложенная скорость может подавить турбулентность (ламинаризацию).

Расчет общей теплоотдачи

Простое сложение или вычитание коэффициентов теплопередачи для принудительной и естественной конвекции даст неточные результаты для смешанной конвекции. Кроме того, поскольку влияние плавучести на теплообмен иногда даже превышает влияние набегающего потока, смешанную конвекцию не следует рассматривать как чистую вынужденную конвекцию. Следовательно, необходимы корреляции, специфичные для конкретной проблемы. Экспериментальные данные позволили предположить, что

$\mathrm {Nu} =(\mathrm {Nu} _{\mathrm {forced} }^{n}+\mathrm {Nu} _{\mathrm {natural} }^{n})^{1/n}$

может описать усредненную по площади теплопередачу. Для случая большой вертикальной поверхности в горизонтальном потоке $n=3.2$ обеспечивает наилучшее соответствие в зависимости от деталей того, как $\mathrm {Nu} _{\mathrm {forced} }$ установлен.

Приложения

Комбинированная принудительная и естественная конвекция часто наблюдается в устройствах с очень высокой выходной мощностью, где принудительной конвекции недостаточно для рассеивания всего необходимого тепла. На этом этапе сочетание естественной конвекции с принудительной конвекцией часто дает желаемые результаты. Примерами этих процессов являются технология ядерных реакторов и некоторые аспекты электронного охлаждения.