Войти
Моделирование тепловой конвекции. Красные оттенки обозначают горячие области, а синие - холодные. Горячий, менее плотный нижний пограничный слой отправляет струи горячего материала вверх, а холодный материал сверху движется вниз. Эта иллюстрация взята из модели конвекции в мантии Земли.Конвективная теплопередача, часто называемая просто конвекцией, является передача тепла от одного места к другому за счет движения жидкостей. Конвекция обычно является доминирующей формой теплопередачи в жидкостях и газах. Хотя конвективная теплопередача часто обсуждается как отдельный метод теплопередачи, она включает в себя комбинированные процессы неизвестной проводимости (диффузии тепла) и адвекции (теплопередачи объемным потоком жидкости ).
Конвекцию можно «вызвать» движением жидкости с помощью иных средств, кроме выталкивающих сил (например, водяной насос в автомобильном двигателе). Тепловое расширение жидкости также может вызвать конвекцию. В других случаях сами по себе силы естественной плавучести полностью отвечают за движение жидкости при ее нагревании, и этот процесс называется «естественной конвекцией». Примером может служить сквозняк в дымоходе или вокруг любого пожара. При естественной конвекции повышение температуры вызывает уменьшение плотности, что, в свою очередь, вызывает движение жидкости из-за давления и сил, когда на жидкости различной плотности действует сила тяжести (или любая g-сила ). Например, когда вода нагревается на плите, горячая вода со дна кастрюли поднимается вверх, вытесняя более холодную более плотную жидкость, которая падает. После прекращения нагрева смешивание и теплопроводность в результате естественной конвекции в конечном итоге приводят к почти однородной плотности и даже температуре. Без наличия силы тяжести (или условий, вызывающих перегрузку любого типа) естественная конвекция не возникает, и работают только режимы принудительной конвекции.
Конвекционный режим теплопередачи состоит из одного механизма. Помимо передачи энергии из-за специфического молекулярного движения (диффузия ), энергия передается за счет объемного или макроскопического движения жидкости. Это движение связано с тем фактом, что в любой момент большое количество молекул движется вместе или как агрегаты. Такое движение при наличии градиента температуры способствует теплопередаче. Поскольку молекулы в совокупности сохраняют свое беспорядочное движение, общий перенос тепла происходит из-за суперпозиции переноса энергии за счет случайного движения молекул и объемного движения жидкости. Термин «конвекция» обычно используется для обозначения этого кумулятивного переноса, а термин «адвекция» - для обозначения переноса за счет движения жидкости в объеме.
Это цветное шлирен-изображение показывает Тепловая конвекция от руки человека (в форме силуэта) к окружающему статическому электричеству. Можно выделить два типа конвективной теплопередачи:
Во многих реальных приложениях (например, потери тепла в центральных приемниках солнечной энергии или охлаждение фотоэлектрических панелей) естественная и принудительная конвекция происходит в в то же время (смешанная конвекция ).
Внутренний и внешний поток также могут классифицировать конвекцию. Внутренний поток возникает, когда жидкость окружена твердой границей, например, когда она течет по трубе. Внешний поток возникает, когда жидкость распространяется бесконечно, не встречая твердая поверхность. Оба этих типа конвекции, естественная или принудительная, могут быть внутренней или внешней, поскольку они не зависят друг от друга. объемная температура, или средняя температура жидкости, является удобной эталонной точкой. nt для оценки свойств, связанных с конвективной теплопередачей, особенно в приложениях, связанных с потоком в трубах и воздуховодах.
Дальнейшая классификация может быть произведена в зависимости от гладкости и волнистости твердых поверхностей. Не все поверхности гладкие, хотя большая часть доступной информации касается гладких поверхностей. Волнистые неровные поверхности обычно встречаются в устройствах теплопередачи, включая солнечные коллекторы, регенеративные теплообменники и подземные системы хранения энергии. Они играют важную роль в процессах теплопередачи в этих приложениях. Поскольку они вносят дополнительную сложность из-за неровностей поверхностей, их нужно решать с математической точностью с помощью элегантных методов упрощения. Кроме того, они влияют на характеристики текучести и теплопередачи, поэтому ведут себя иначе, чем прямые гладкие поверхности.
Для визуального восприятия естественной конвекции внутрь рыбы можно поместить стакан с горячей водой и красным пищевым красителем. емкость с холодной чистой водой. Можно увидеть, как конвекционные потоки красной жидкости поднимаются и опускаются в разных областях, а затем в конечном итоге оседают, иллюстрируя процесс рассеивания градиентов тепла.
Конвекционное охлаждение иногда приблизительно описывается законом охлаждения Ньютона.
Закон Ньютона утверждает, что скорость потери тепла телом пропорциональна разнице температур между телом и окружающей средой на ветру. Константа пропорциональности - это коэффициент теплопередачи. Закон применяется, когда коэффициент не зависит или относительно не зависит от разницы температур между объектом и окружающей средой.
В классической естественной конвективной теплопередаче коэффициент теплопередачи зависит от температуры. Однако закон Ньютона приближается к реальности, когда изменения температуры относительно небольшие, а также для принудительного воздушного и перекачиваемого жидкостного охлаждения, когда скорость жидкости не увеличивается с увеличением разницы температур.
Основное соотношение теплопередачи за счет конвекции:
где 
Коэффициент конвективной теплопередачи зависит от физических свойств жидкости и физической ситуации. Значения h были измерены и сведены в таблицу для часто встречающихся жидкостей и ситуаций потока.
