Сочетание принудительного и естественного конвекция

Комбинированная принудительная конвекция и естественная конвекция или смешанная конвекция возникает, когда естественная конвекция и принудительная конвекция механизмы действуют вместе для передачи тепла. Это также определяется как ситуации, в которых взаимодействуют как силы давления,, и выталкивающие силы. Насколько каждая форма конвекции способствует теплопередаче, в значительной степени определяется потоком, температурой, геометрией и ориентацией. Природа текучей среды также имеет значение, поскольку число Грасгофа увеличивается в текучей среде с ростом температуры, но в какой-то момент достигает максимума для газа.

• 1 Характеристика
• 2 Случаи
  • 2.1 Двумерная смешанная конвекция с дополнительным потоком
  • 2.2 Двумерная смешанная конвекция с встречным потоком
  • 2.3 Трехмерная смешанная конвекция
• 3 Расчет общего тепла transfer
• 4 Применения
• 5 Ссылки

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

$R\; i\; =\; G\; r\; R\; e\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{Ri\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{Gr\}\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{Re\}\; ^\; \{2\}\}\}\}$

Соответствующие масштабы длины для каждого безразмерного числа должны выбираться в зависимости от задачи, например длина по вертикали для числа Грасгофа и горизонтальная шкала для числа Рейнольдса. Малые числа Ричардсона характеризуют течение, в котором преобладает вынужденная конвекция. Числа Ричардсона, превышающие $R\; i\; \approx \; 16\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{Ri\}\; \backslash \; приблизительно\; 16\}$, указывают на то, что проблема потока - это чистая естественная конвекция и влиянием принудительной конвекции можно пренебречь.

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

Из-за широкого диапазона переменных были опубликованы сотни статей по экспериментам с использованием различных типов жидкостей и геометрических форм. Из-за этого разнообразия сложно получить исчерпывающую корреляцию, а если и бывает, то обычно в очень ограниченных случаях. Однако комбинированную принудительную и естественную конвекцию в целом можно описать одним из трех способов.

Двумерная смешанная конвекция с дополнительным потоком

Первый случай - это когда естественная конвекция способствует принудительной конвекции. Это видно, когда подъемное движение происходит в том же направлении, что и вынужденное движение, таким образом ускоряя пограничный слой и улучшая теплопередачу. Однако переход к турбулентности может быть отложен. Примером этого может быть вентилятор, дующий вверх на горячей плите. Поскольку тепло естественным образом поднимается, воздух, нагнетаемый вверх над пластиной, способствует теплопередаче.

Двумерная смешанная конвекция с встречным потоком

Второй случай - это когда естественная конвекция действует противоположно принудительной конвекции. Представьте, что вентилятор нагнетает воздух вверх над холодной пластиной. В этом случае выталкивающая сила холодного воздуха естественным образом заставляет его падать, но вытесняемый вверх воздух противодействует этому естественному движению. В зависимости от числа Ричардсона пограничный слой на холодной пластине показывает 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 принудительному движению. Примером этого случая является горячая вертикальная плоская пластина с горизонтальным потоком, например поверхность солнечного теплового центрального приемника. Пока набегающий поток продолжает движение в заданном направлении, пограничный слой на пластине ускоряется в направлении вверх. В этом случае плавучесть играет главную роль в ламинарно-турбулентном переходе, в то время как заданная скорость может подавить турбулентность (ламинаризацию)

Простое добавление или вычитание тепла Коэффициенты передачи для принудительной и естественной конвекции дадут неточные результаты для смешанной конвекции. Кроме того, поскольку влияние плавучести на передачу тепла иногда даже превышает влияние набегающего потока, смешанную конвекцию не следует рассматривать как чистую принудительную конвекцию. Следовательно, требуются корреляции для конкретных проблем. Экспериментальные данные показали, что

$N\; u\; =\; (N\; u\; усиленный\; +\; N\; неестественный)\; 1\; /\; n\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mathrm\; \{Nu\}\; =\; (\backslash \; mathrm\; \{Nu\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{force\}\}\; ^\; \{n\}\; +\; \backslash \; mathrm\; \{Nu\}\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{natural\}\}\; ^\; \{n\})\; ^\; \{1\; /\; n\}\}$

может описывать усредненную по площади теплопередачу.

Комбинированные 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.