Моделирование тепловой конвекции в мантии Земли . Горячие области показаны красным, холодные – синим. Горячий, менее плотный материал внизу движется вверх, а холодный материал сверху движется вниз.
ни объемных токов, ни значительной диффузии Конвекция не может иметь место в большинстве твердых тел, поскольку не может происходить вещества. Зернистая конвекция — аналогичное явление в зернистом материале, а не в жидкостях. Адвекция — это движение жидкости, создаваемое скоростью, а не температурными градиентами. Конвективная теплопередача — это намеренное использование конвекции в качестве метода теплопередачи . Конвекция – это процесс, при котором тепло переносится из места в место за счет объемного движения жидкости и газов.
[...] Это движение тепла происходит тремя способами, что очень хорошо иллюстрирует обычный камин. Если, например, мы поместим термометр непосредственно перед огнем, он вскоре начнет подниматься, указывая на повышение температуры. В этом случае тепло проникло через пространство между огнем и термометром в результате процесса, называемого излучением . Если мы поместим второй термометр в контакт с какой-либо частью решетки и вдали от прямого воздействия огня, мы обнаружим, что этот термометр также указывает на повышение температуры; но здесь тепло должно было пройти через металл решетки за счет так называемой проводимости . Наконец, третий термометр, помещенный в дымоход, вдали от прямого воздействия огня, также укажет на значительное повышение температуры; в этом случае часть воздуха, проходя через огонь и рядом с ним, нагревалась и поднимала дымоход до температуры, полученной от огня. В настоящее время в нашем языке нет единого термина, обозначающего этот третий способ распространения тепла; но мы рискнем предложить для этой цели термин конвекция , [в сноске: [лат. Convectio , перенос или транспортировка], которая не только выражает главный факт, но также очень хорошо согласуется с двумя другими терминами.
Позже, в том же трактате VIII, в книге по метеорологии , понятие конвекции применяется и к «процессу передачи тепла через воду».
Сегодня слово «конвекция» имеет разное, но связанное использование в разных научных или инженерных контекстах или приложениях.
В механике жидкости конвекция имеет более широкий смысл: она относится к движению жидкости, вызванному разницей плотности (или другого свойства). [2] [3]
В термодинамике , где префиксный вариант «Естественная конвекция» используется , конвекция часто относится к передаче тепла посредством конвекции чтобы отличить концепцию конвекции в механике жидкости (описанную в этой статье) от конвективной теплопередачи. [4]
Некоторые явления, которые приводят к эффекту, внешне похожему на эффект конвективной ячейки, также могут быть (неточно) названы формой конвекции; например, термокапиллярная конвекция и зернистая конвекция .
Конвекция может возникать в жидкостях всех масштабов, превышающих несколько атомов. Существуют различные обстоятельства, при которых возникают силы, необходимые для конвекции, что приводит к различным типам конвекции, описанным ниже. В широком смысле конвекция возникает из-за массовых сил, действующих внутри жидкости, таких как гравитация.
Продолжительность: 27 секунд. 0:27 Клетки Рэлея-Бенара . На этом цветном шлирен -изображении видна тепловая конвекция , возникающая в результате теплопроводности от человеческой руки (в силуэте) к окружающей неподвижной атмосфере, первоначально за счет диффузии от руки в окружающий воздух, а затем также в виде адвекции, поскольку тепло заставляет воздух начинать нагреваться. двигаться вверх.
Естественная конвекция — это поток, движение которого вызвано тем, что некоторые части жидкости тяжелее других. В большинстве случаев это приводит к естественной циркуляции : способности жидкости в системе непрерывно циркулировать под действием силы тяжести с передачей тепловой энергии.
Движущей силой естественной конвекции является гравитация. В столбе жидкости давление увеличивается с глубиной из-за веса вышележащей жидкости. Тогда давление внизу погруженного объекта превышает давление вверху, в результате чего возникает чистая восходящая сила плавучести , равная весу вытесненной жидкости. Затем объекты с более высокой плотностью, чем плотность вытесненной жидкости, тонут. Например, области с более теплым воздухом с низкой плотностью поднимаются вверх, а области с более холодным воздухом с высокой плотностью опускаются. Это создает циркулирующий поток: конвекцию.
Гравитация стимулирует естественную конвекцию. Без гравитации конвекция не возникает, поэтому конвекция отсутствует в средах свободного падения ( инерциальных ), таких как орбитальная Международная космическая станция. Естественная конвекция может возникать при наличии горячих и холодных областей воздуха или воды, поскольку при нагревании и вода, и воздух становятся менее плотными. Но, например, в мировом океане это происходит еще и из-за того, что соленая вода тяжелее пресной, поэтому слой соленой воды поверх слоя более пресной воды также будет вызывать конвекцию.
Естественная конвекция привлекла большое внимание исследователей из-за ее присутствия как в природе, так и в инженерных приложениях. В природе конвекционные ячейки, образующиеся из воздуха, поднимающегося над нагретой солнечным светом землей или водой, являются основной особенностью всех погодных систем. Конвекция также наблюдается в поднимающемся шлейфе горячего воздуха от пожара , тектоники плит , океанических течений ( термохалинная циркуляция ) и образования морского ветра (где восходящая конвекция также модифицируется силами Кориолиса ). В инженерных приложениях конвекцию обычно визуализируют при образовании микроструктур при охлаждении расплавленных металлов, а также при обтекании жидкостью окутанных теплоотводящих ребер и солнечных прудов. Очень распространенным промышленным применением естественной конвекции является свободное воздушное охлаждение без помощи вентиляторов: это может происходить как в небольших масштабах (компьютерные чипы), так и в крупномасштабном технологическом оборудовании.
Естественная конвекция будет более вероятной и более быстрой при большем разбросе плотности между двумя жидкостями, большем ускорении силы тяжести, которое вызывает конвекцию, или большем расстоянии через конвекционную среду. Естественная конвекция будет менее вероятной и менее быстрой при более быстрой диффузии (тем самым рассеивая температурный градиент, вызывающий конвекцию) или более вязкой (липкой) жидкости.
Начало естественной конвекции можно определить по числу Рэлея ( Ra ).
Различия в плавучести внутри жидкости могут возникать по причинам, отличным от изменений температуры, и в этом случае движение жидкости называется гравитационной конвекцией (см. Ниже). Однако все виды плавучей конвекции, включая естественную конвекцию, не возникают в условиях микрогравитации . Все они требуют наличия среды, которая испытывает перегрузку ( правильное ускорение ).
Разница в плотности жидкости является ключевым движущим механизмом. Если разница в плотности вызвана нагревом, эта сила называется «тепловой головкой» или «тепловой движущей головкой». Жидкостная система, предназначенная для естественной циркуляции, будет иметь источник тепла и радиатор . Каждый из них контактирует с некоторой частью жидкости в системе, но не со всей. Источник тепла расположен ниже радиатора.
Большинство жидкостей расширяются при нагревании, становясь менее плотными , и сжимаются при охлаждении, становясь более плотными. У источника тепла системы естественной циркуляции нагретая жидкость становится легче окружающей ее жидкости и, таким образом, поднимается вверх. В радиаторе близлежащая жидкость становится более плотной по мере охлаждения и притягивается вниз под действием силы тяжести. В совокупности эти эффекты создают поток жидкости от источника тепла к радиатору и обратно.
Гравитационная конвекция — это тип естественной конвекции, вызванный изменениями плавучести в результате свойств материала, отличных от температуры. Обычно это вызвано переменным составом жидкости. Если изменяющееся свойство представляет собой градиент концентрации, оно известно как конвекция растворенного вещества . [5] Например, гравитационную конвекцию можно увидеть в диффузии источника сухой соли вниз во влажную почву из-за плавучести пресной воды в соленой. [6]
Переменная соленость воды и переменное содержание воды в воздушных массах являются частыми причинами конвекции в океанах и атмосфере, которые не связаны с теплом или же включают дополнительные факторы композиционной плотности, отличные от изменений плотности в результате теплового расширения (см. Термохалинную циркуляцию ). Точно так же переменный состав внутри Земли, который еще не достиг максимальной стабильности и минимальной энергии (другими словами, самые плотные части находятся на глубине), продолжает вызывать часть конвекции жидкой породы и расплавленного металла внутри Земли (см. Ниже). .
Термомагнитная конвекция может возникать при наложении внешнего магнитного поля на феррожидкость с изменяющейся магнитной восприимчивостью . При наличии температурного градиента это приводит к возникновению неоднородной магнитной объемной силы, что приводит к движению жидкости. Феррожидкость — это жидкость, которая сильно намагничивается в присутствии магнитного поля .
В условиях невесомости не может быть сил плавучести и, следовательно, невозможна конвекция, поэтому пламя во многих случаях без гравитации задыхается в собственных отходящих газах. Тепловое расширение и химические реакции, приводящие к расширению и сжатию газов, позволяют вентилировать пламя, поскольку отходящие газы замещаются холодным, свежим, богатым кислородом газом. перемещается внутрь, заполняя зоны низкого давления, образующиеся при конденсации воды, образующейся при выхлопе пламени.
Системы естественной циркуляции включают торнадо и другие погодные системы , океанские течения и бытовую вентиляцию . Некоторые солнечные водонагреватели используют естественную циркуляцию. Гольфстрим . циркулирует в результате испарения воды При этом соленость и плотность воды увеличиваются. В северной части Атлантического океана вода становится настолько плотной, что начинает опускаться вниз.
Конвекция происходит в больших масштабах в атмосферах , океанах, планет мантиях и обеспечивает механизм теплопередачи для значительной части самых отдаленных недр Солнца и всех звезд. Движение жидкости при конвекции может быть незаметно медленным, а может быть очевидным и быстрым, как при урагане . Считается, что в астрономических масштабах в аккреционных дисках черных дыр происходит конвекция газа и пыли со скоростями, близкими к скорости света.
Тепловую конвекцию в жидкостях можно продемонстрировать, поместив источник тепла (например, горелку Бунзена ) сбоку от емкости с жидкостью. Добавление в воду красителя (например, пищевого красителя) позволит визуализировать поток. [8] [9]
Другой распространенный эксперимент по демонстрации тепловой конвекции в жидкостях включает погружение открытых контейнеров с горячей и холодной жидкостью, окрашенной красителем, в большой контейнер с той же жидкостью без красителя при промежуточной температуре (например, банка с горячей водопроводной водой, окрашенная в красный цвет, банка воды, охлажденной в холодильнике синего цвета, опущенной в резервуар с прозрачной водой комнатной температуры). [10]
Третий подход заключается в использовании двух одинаковых банок: одна наполнена горячей водой, окрашенной в один цвет, и холодной водой другого цвета. Затем одну банку временно запечатывают (например, куском картона), переворачивают и ставят поверх другой. Если после извлечения карты поставить банку с более теплой жидкостью сверху, конвекции не произойдет. Если поставить сверху банку с более холодной жидкостью, самопроизвольно образуется конвекционный ток. [11]
Конвекцию газов можно продемонстрировать с помощью свечи в герметичном пространстве с входным и выходным отверстиями. Тепло от свечи вызовет сильный конвекционный поток, который можно продемонстрировать с помощью индикатора потока, например, дыма от другой свечи, выходящего вблизи впускной и выпускной зон соответственно. [12]
, Конвекционная ячейка также известная как ячейка Бенара , представляет собой характерную структуру потока жидкости во многих конвекционных системах. Поднимающаяся масса жидкости обычно теряет тепло, поскольку сталкивается с более холодной поверхностью. В жидкости это происходит потому, что она обменивается теплом с более холодной жидкостью посредством прямого обмена. На примере земной атмосферы это происходит потому, что она излучает тепло. Из-за этой потери тепла жидкость становится более плотной, чем жидкость под ней, которая все еще поднимается. Поскольку он не может спуститься сквозь поднимающуюся жидкость, он отклоняется в сторону. На некотором расстоянии его направленная вниз сила преодолевает поднимающуюся под ним силу, и жидкость начинает опускаться вниз. По мере спуска он снова нагревается, и цикл повторяется. Кроме того, конвекционные ячейки могут возникать из-за изменений плотности из-за различий в составе электролитов. [13]
Идеализированное изображение глобальной циркуляции на Земле.
Атмосферная циркуляция — это крупномасштабное движение воздуха и средство, с помощью которого тепловая энергия распределяется по поверхности Земли вместе с гораздо более медленной (отстающей) системой циркуляции океана. Крупномасштабная структура атмосферной циркуляции меняется от года к году, но основная климатологическая структура остается достаточно постоянной.
Продольная циркуляция, с другой стороны, возникает потому, что океан имеет более высокую удельную теплоемкость, чем суша (а также теплопроводность , позволяющую теплу проникать дальше под поверхность) и тем самым поглощает и выделяет больше тепла , но температура меняется меньше. чем земля. Это приносит морской бриз (воздух, охлажденный водой) на берег днем и переносит сухопутный бриз (воздух, охлажденный при контакте с землей) в море ночью. Продольная циркуляция состоит из двух ячеек: циркуляции Уокера и Эль-Ниньо/Южного колебания .
Некоторые более локализованные явления, чем глобальное движение атмосферы, также обусловлены конвекцией, включая ветер и некоторые аспекты гидрологического цикла . Например, фен – это нисходящий ветер, возникающий на подветренной стороне горного хребта. Это происходит в результате адиабатического прогрева воздуха, который сбросил большую часть своей влаги на наветренные склоны. [14] Из-за разной скорости адиабатического градиента влажного и сухого воздуха воздух на подветренных склонах становится теплее, чем на той же высоте на наветренных склонах.
Термический столб (или термик) — это вертикальный участок восходящего воздуха на нижних высотах атмосферы Земли. Термики создаются неравномерным нагревом поверхности Земли солнечной радиацией. Солнце нагревает землю, которая, в свою очередь, нагревает воздух непосредственно над ней. Более теплый воздух расширяется, становясь менее плотным, чем окружающая воздушная масса, и создавая тепловой минимум . [15] [16] Масса более легкого воздуха поднимается и при этом охлаждается за счет расширения при более низком давлении воздуха. Он перестает подниматься, когда остынет до той же температуры, что и окружающий воздух. С термиком связан нисходящий поток, окружающий термальный столб. Движение вниз снаружи вызвано вытеснением более холодного воздуха в верхней части термика. Еще одним погодным эффектом, вызванным конвекцией, является морской бриз . [17] [18]
Этапы жизни грозы.
Теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный, поэтому теплый воздух поднимается вверх вместе с более холодным воздухом. [19] похожи на воздушные шары . [20] Облака образуются, когда относительно более теплый воздух, несущий влагу, поднимается в более прохладном воздухе. По мере того как влажный воздух поднимается вверх, он охлаждается, в результате чего часть водяного пара в поднимающемся пакете воздуха конденсируется . [21] Когда влага конденсируется, она высвобождает энергию, известную как скрытое тепло конденсации, которая позволяет поднимающемуся пакету воздуха охлаждаться меньше, чем окружающий его воздух. [22] продолжая восхождение облака. Если достаточная нестабильность в атмосфере присутствует кучево-дождевые облака , этот процесс будет продолжаться достаточно долго, чтобы образовались , поддерживающие молнии и гром. Обычно для формирования грозы необходимы три условия: влага, нестабильная воздушная масса и подъемная сила (тепло).
Все грозы , независимо от типа, проходят три стадии: стадию развития , стадию зрелости и стадию рассеивания . [23] Средняя гроза имеет диаметр 24 км (15 миль). В зависимости от условий в атмосфере прохождение этих трех этапов занимает в среднем 30 минут. [24]
Солнечная радиация влияет на океаны: теплая вода с экватора стремится циркулировать к полюсам , а холодная полярная вода направляется к экватору. Поверхностные течения изначально определяются условиями приземного ветра. Пассаты дуют на запад в тропиках, [25] а западные ветры дуют на восток в средних широтах. [26] Этот характер ветра создает нагрузку на субтропическую поверхность океана с отрицательной закручиваемостью в Северном полушарии . [27] и наоборот в Южном полушарии . В результате перенос Свердрупа направлен к экватору. [28] Из-за сохранения потенциальной завихренности, вызванной ветрами, движущимися к полюсу на западной периферии субтропического хребта , и повышенной относительной завихренности движущейся к полюсу воды, перенос уравновешивается узким, ускоряющимся к полюсу течением, которое течет вдоль западной границы субтропического хребта. океанского бассейна, что перевешивает эффекты трения с холодным западным пограничным течением, идущим из высоких широт. [29] Общий процесс, известный как западная интенсификация, приводит к тому, что течения на западной границе океанского бассейна становятся сильнее, чем на восточной границе. [30]
По мере продвижения к полюсу теплая вода, переносимая сильным течением теплой воды, подвергается испарительному охлаждению. Охлаждение осуществляется ветром: ветер, движущийся над водой, охлаждает воду, а также вызывает испарение , в результате чего рассол становится более соленым. При этом вода становится более соленой и плотной. и снижается температура. Как только морской лед образуется, соли остаются вне льда, этот процесс известен как исключение рассола. [31] Эти два процесса производят воду, которая более плотная и холодная. Вода в северной части Атлантического океана становится настолько плотной, что начинает опускаться вниз через менее соленую и менее плотную воду. (Эта конвекция в открытом океане мало чем отличается от лавовой лампы .) Этот нисходящий поток тяжелой, холодной и плотной воды становится частью Североатлантического глубоководного потока, идущего на юг. [32]
Океаническая плита добавляется в результате апвеллинга (слева) и поглощается в зоне субдукции (справа).
Мантийная конвекция — это медленное ползучее движение каменистой мантии Земли, вызванное конвекционными потоками, переносящими тепло из недр Земли на поверхность. [33] Это одна из трех движущих сил, которые заставляют тектонические плиты двигаться по поверхности Земли. [34]
Поверхность Земли разделена на ряд тектонических плит, которые постоянно создаются и поглощаются на противоположных границах плит. Создание ( аккреция ) происходит по мере добавления мантии к растущим краям плиты. Этот горячий добавленный материал охлаждается за счет проводимости и конвекции тепла. На краях плиты материал термически сжимается, становясь плотным, и опускается под собственным весом в процессе субдукции в океанской впадине. Этот субдуцированный материал опускается на некоторую глубину в недра Земли, где дальнейшее погружение ему запрещено. Погружение океанической коры вызывает вулканизм.
Конвекция внутри мантии Земли является движущей силой тектоники плит . Мантийная конвекция является результатом температурного градиента: нижняя мантия более горячая, чем верхняя , и поэтому менее плотная. Это создает два основных типа нестабильности. В первом типе плюмы поднимаются из нижней мантии, а соответствующие нестабильные области литосферы стекают обратно в мантию. Во втором типе субдуцирующие океанические плиты (которые в основном составляют верхний термический пограничный слой мантии) погружаются обратно в мантию и движутся вниз к границе ядро-мантия . Мантийная конвекция происходит со скоростью несколько сантиметров в год, и для завершения цикла конвекции требуется порядка сотен миллионов лет.
Измерения потока нейтрино из ядра Земли (см. kamLAND ) показывают, что источником примерно двух третей тепла во внутреннем ядре является распад радиоактивный 40 К , уран и торий. Это позволило тектонике плит на Земле продолжаться гораздо дольше, чем если бы она была просто вызвана теплом, оставшимся от формирования Земли; или с теплом, производимым гравитационной потенциальной энергией в результате физического перераспределения более плотных частей недр Земли по направлению к центру планеты (то есть своего рода продолжительное падение и оседание).
Эффект дымохода или эффект дымохода — это движение воздуха в здания, дымоходы, дымоходы или другие контейнеры и из них из-за плавучести. Плавучесть возникает из-за разницы плотности воздуха внутри помещения и снаружи, возникающей из-за разницы температур и влажности. Чем больше разница температур и высота конструкции, тем больше сила плавучести и, следовательно, эффект штабеля. Эффект стека помогает обеспечить естественную вентиляцию и инфильтрацию. Некоторые градирни работают по этому принципу; Аналогичным образом, солнечная восходящая башня представляет собой предлагаемое устройство для выработки электроэнергии на основе эффекта дымовой трубы.
Иллюстрация строения Солнца и звезды красного гиганта с указанием их конвективных зон. Это зернистые зоны во внешних слоях этих звезд.
Зона конвекции звезды — это диапазон радиусов, в котором энергия переносится наружу из области ядра в основном за счет конвекции, а не излучения . Это происходит на радиусах, которые достаточно непрозрачны , поэтому конвекция более эффективно переносит энергию, чем излучение. [35]
Гранулы на фотосфере Солнца — это видимые вершины конвекционных ячеек в фотосфере, вызванные конвекцией плазмы в фотосфере. Поднимающаяся часть гранул расположена в центре, где плазма более горячая. Внешний край гранул темнее из-за более холодной нисходящей плазмы. Типичная гранула имеет диаметр порядка 1000 километров, и каждая из них существует от 8 до 20 минут, прежде чем рассеется. Под фотосферой находится слой гораздо более крупных «супергранул» диаметром до 30 000 километров с продолжительностью жизни до 24 часов.
Вода — жидкость, не подчиняющаяся приближению Буссинеска. [36] Это связано с тем, что его плотность нелинейно меняется в зависимости от температуры, что приводит к непостоянству коэффициента теплового расширения вблизи отрицательных температур. [37] [38] Плотность воды достигает максимума при температуре 4 °С и уменьшается при отклонении температуры. Это явление исследуется экспериментальными и численными методами. [36] Вода первоначально застаивается при температуре 10 ° C внутри квадратной полости. Он нагревается по-разному между двумя вертикальными стенками, причем температура левой и правой стенок поддерживается на уровне 10 °C и 0 °C соответственно. Аномалия плотности проявляется в характере его течения. [36] [39] [40] [41] По мере охлаждения воды у правой стенки плотность увеличивается, что ускоряет течение вниз. По мере развития потока и дальнейшего охлаждения воды уменьшение плотности вызывает рециркуляционный ток в правом нижнем углу полости.
Другим случаем этого явления является переохлаждение , когда вода охлаждается до температуры ниже нуля, но не начинает сразу замерзать. [38] [42] В тех же условиях, что и раньше, течение развивается. После этого температура правой стенки снижается до −10 °С. Это приводит к тому, что вода у этой стены переохлаждается, создает поток против часовой стрелки и первоначально подавляет теплый поток. [36] Этот шлейф вызван задержкой зарождения льда . [36] [38] [42] Как только лед начинает формироваться, поток возвращается к той же схеме, что и раньше, и затвердевание распространяется постепенно, пока поток не возобновится. [36]
В ядерном реакторе критерием проектирования может быть естественная циркуляция. Это достигается за счет уменьшения турбулентности и трения в потоке жидкости (то есть минимизации потерь напора ), а также за счет возможности удаления неработающих насосов из пути прохождения жидкости. Кроме того, реактор (как источник тепла) должен быть физически ниже парогенераторов или турбин (радиатора). Таким образом, естественная циркуляция будет гарантировать, что жидкость будет продолжать течь до тех пор, пока температура реактора выше температуры радиатора, даже если мощность не может быть подана на насосы. Яркими примерами являются S5G. [43] [44] [45] и С8Г [46] [47] [48] Реакторы ВМС США , которые были спроектированы для работы на значительной части полной мощности в условиях естественной циркуляции, успокаивая эти двигательные установки. Реактор С6Г не может работать на мощности при естественной циркуляции, но может использовать ее для поддержания аварийного охлаждения во время остановки.
По природе естественной циркуляции жидкости обычно не движутся очень быстро, но это не обязательно плохо, поскольку высокие скорости потока не являются существенными для безопасной и эффективной работы реактора. В ядерных реакторах современной конструкции реверс потока практически невозможен. Все ядерные реакторы, даже те, которые предназначены в первую очередь для использования естественной циркуляции в качестве основного метода циркуляции жидкости, имеют насосы, которые могут циркулировать жидкость в случае, если естественной циркуляции недостаточно.
В случаях смешанной конвекции (естественной и вынужденной, возникающей одновременно) часто хотелось бы знать, какая часть конвекции обусловлена внешними ограничениями, такими как скорость жидкости в насосе, а какая — естественной конвекцией, возникающей в системе. .
Относительные величины числа Грасгофа и квадрата числа Рейнольдса определяют, какая форма конвекции преобладает. Если , вынужденной конвекцией можно пренебречь, тогда как если естественной конвекцией можно пренебречь. Если соотношение, известное как число Ричардсона , примерно равно единице, то необходимо учитывать как вынужденную, так и естественную конвекцию.
Естественная конвекция будет более вероятной и/или более быстрой при большем разбросе плотности между двумя жидкостями, большем ускорении силы тяжести, которое вызывает конвекцию, и/или большем расстоянии через конвектирующую среду. Конвекция будет менее вероятной и/или менее быстрой при более быстрой диффузии (тем самым рассеивая градиент, вызывающий конвекцию) и/или более вязкой (липкой) жидкости.
Для тепловой конвекции из-за нагрева снизу, как описано выше для кипящего котла, уравнение модифицируется с учетом теплового расширения и температуропроводности. Изменения плотности из-за теплового расширения определяются по формуле:
где
- эталонная плотность, обычно выбираемая как средняя плотность среды,
Склонность конкретной естественно конвективной системы к турбулентности зависит от числа Грасгофа (Gr). [50]
В очень липких, вязких жидкостях (большие ν ) движение жидкости ограничено, и естественная конвекция не будет турбулентной.
После рассмотрения предыдущего подраздела типичная скорость жидкости имеет порядок , с точностью до числового множителя, зависящего от геометрии системы. Следовательно, число Грасгофа можно рассматривать как число Рейнольдса , в котором скорость естественной конвекции заменяет скорость в формуле числа Рейнольдса. Однако на практике, когда речь идет о числе Рейнольдса, подразумевается, что рассматривается вынужденная конвекция, а скорость принимается как скорость, диктуемая внешними ограничениями (см. ниже).
Число Грасгофа можно сформулировать для естественной конвекции, возникающей из-за градиента концентрации , иногда называемой терморастворенной конвекцией. В этом случае концентрация горячей жидкости диффундирует в холодную жидкость, примерно так же, как чернила, налитые в емкость с водой, диффундируют, окрашивая все пространство. Затем:
Естественная конвекция сильно зависит от геометрии горячей поверхности, существуют различные корреляции для определения коэффициента теплопередачи. Общая корреляция, применимая для различных геометрических форм, такова:
Значение f 4 (Пр) рассчитывают по следующей формуле
Nu — число Нуссельта , а значения Nu 0 и характеристической длины, используемые для расчета Re, перечислены ниже (см. также Обсуждение):
Геометрия
Характеристическая длина
Ню 0
Наклонная плоскость
x (Расстояние по плоскости)
0.68
Наклонный диск
9D/11 (D = диаметр)
0.56
Вертикальный цилиндр
x (высота цилиндра)
0.68
Конус
4x/5 (x = расстояние по наклонной поверхности)
0.54
Горизонтальный цилиндр
(D = диаметр цилиндра)
0.36
Внимание : значения, указанные для горизонтального цилиндра неверны , ; смотри обсуждение.
Одним из примеров естественной конвекции является передача тепла от изотермической вертикальной пластины, погруженной в жидкость, в результате чего жидкость движется параллельно пластине. Это произойдет в любой системе, в которой плотность движущейся жидкости меняется в зависимости от положения. Эти явления будут иметь значение только тогда, когда на движущуюся жидкость минимально влияет вынужденная конвекция. [51]
Рассматривая течение жидкости как результат нагрева, можно использовать следующие соотношения, предполагая, что жидкость представляет собой идеальную двухатомную жидкость, имеет прилегающую к ней вертикальную пластину с постоянной температурой и поток жидкости полностью ламинарный. [52]
Обратите внимание, что приведенное выше уравнение отличается от обычного выражения для числа Грасгофа, поскольку значение было заменено его приближением , которое применимо только для идеальных газов (разумное приближение для воздуха при атмосферном давлении).
Когда тепло подается в систему с одного направления (обычно снизу), то при малых значениях оно просто диффундирует ( проводит ) снизу вверх, не вызывая течения жидкости. По мере увеличения теплового потока выше критического значения числа Рэлея система претерпевает бифуркацию из стабильного проводящего состояния в конвективное состояние, где начинается объемное движение жидкости за счет тепла. Если параметры жидкости, кроме плотности, существенно не зависят от температуры, профиль потока симметричен: поднимается и опускается один и тот же объем жидкости. Это известно как конвекция Буссинеска .
Поскольку разница температур между верхом и низом жидкости становится выше, из-за температуры в жидкости могут возникнуть значительные различия в параметрах жидкости, кроме плотности. Примером такого параметра является вязкость , которая может начать значительно меняться по горизонтали в разных слоях жидкости. Это нарушает симметрию системы и обычно меняет структуру движущейся вверх и вниз жидкости с полос на шестиугольники, как показано справа. Такие шестиугольники являются одним из примеров конвекционной ячейки .
^ «Что такое муссон?» . Штаб-квартира Национальной метеорологической службы Западного региона. Бюро прогнозов Национальной метеорологической службы в Тусоне, штат Аризона . 2008. Архивировано из оригинала 23 июня 2012 г. Проверено 8 марта 2009 г.
^ «пассаты» . Словарь метеорологии . Американское метеорологическое общество. 2009. Архивировано из оригинала 11 декабря 2008 г. Проверено 8 сентября 2008 г.
^ Кобес, Рэнди; Кунстаттер, Габор (16 декабря 2002 г.). «Мантийная конвекция» . Физический факультет Виннипегского университета. Архивировано из оригинала 14 января 2011 г. Проверено 03 января 2010 г.
^ Тонг, Вэй; Костер, Жан Н. (декабрь 1993 г.). «Естественная конвекция воды в прямоугольной полости, включая инверсию плотности». Международный журнал по теплу и потоку жидкости . 14 (4): 366–375. дои : 10.1016/0142-727x(93)90010-k . ISSN 0142-727X .
^ Эзан, Мехмет Акиф; Калфа, Мустафа (октябрь 2016 г.). «Численное исследование нестационарного теплообмена естественной конвекцией замерзающей воды в квадратной полости». Международный журнал по теплу и потоку жидкости . 61 : 438–448. doi : 10.1016/j.ijheatfluidflow.2016.06.004 . ISSN 0142-727X .
Arc.Ask3.Ru Номер скриншота №: eead9f2f7602ddaff9549c16c8518b9c__1720423800 URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/ee/9c/eead9f2f7602ddaff9549c16c8518b9c.html Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1: Convection - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)
![{\displaystyle Nu=\left[Nu_{0}^{\frac {1}{2}}+Ra^{\frac {1}{6}}\left({\frac {f_{4}\left( Pr\right)}{300}}\right)^{\frac {1}{6}}\right]^{2}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5c796fe28809788aeefc2f78744547847689eae8)
![{\displaystyle f_{4}(Pr)=\left[1+\left({\frac {0,5}{Pr}}\right)^{\frac {9}{16}}\right]^{\frac {-16}{9}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4a50d2a430fbd1360680d731061cbf11728ac1ad)
![{\displaystyle [gL^{3}(t_{s}-t_{\infty })]/v^{2}T}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7cefc61521e7ee2bbcd5874caa3ea5fc54cdcada)
