Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из смешанной конвекции )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Комбинированная принудительная конвекция и естественная конвекция , или смешанная конвекция , возникает, когда механизмы естественной конвекции и принудительной конвекции действуют вместе для передачи тепла. Это также определяется как ситуации, в которых взаимодействуют как силы давления, так и выталкивающие силы. [1] Насколько каждая форма конвекции способствует теплопередаче, в значительной степени определяется потоком, температурой , геометрией и ориентацией. Природа жидкости также имеет значение, поскольку число Грасгофаувеличивается в жидкости с повышением температуры, но в какой-то момент достигает максимума для газа . [2]

Характеристика [ править ]

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 :

Соответствующие шкалы 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 течение, в котором преобладает вынужденная конвекция. Числа Ричардсона выше чем указывают на то, что проблема потока - это чистая естественная конвекция и влиянием принудительной конвекции можно пренебречь. [3]

Как и в случае естественной конвекции, характер смешанного конвекционного потока сильно зависит от теплопередачи (поскольку плавучесть является одним из движущих механизмов), а эффекты турбулентности играют значительную роль. [4]

Случаи [ править ]

Из-за широкого диапазона переменных были опубликованы сотни статей об экспериментах с различными типами жидкостей и геометрическими формами. Из-за этого разнообразия трудно получить исчерпывающую корреляцию, а если и бывает, то обычно в очень ограниченных случаях. [2] Комбинированную принудительную и естественную конвекцию, однако, можно описать одним из трех способов.

Двумерная смешанная конвекция с вспомогательным потоком [ править ]

В первом случае 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. [5] Однако переход к турбулентности может быть отложен. [6] 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 [ править ]

Во втором случае естественная конвекция действует противоположно принудительной. Представьте, что вентилятор нагнетает воздух вверх над холодной пластиной. [5] В этом случае выталкивающая сила холодного воздуха естественным образом заставляет его падать, но выталкиваемый 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 [ править ]

Третий случай называется трехмерной смешанной конвекцией. Этот поток возникает, когда подъемное движение действует перпендикулярно принудительному движению. Примером этого случая является горячая вертикальная плоская пластина с горизонтальным потоком, например поверхность солнечного центрального приемника тепла. Пока набегающий поток продолжает движение в заданном направлении, пограничный слой у пластины ускоряется в направлении вверх. В этом случае плавучесть играет главную роль в ламинарно-турбулентном переходе, в то время как заданная скорость может подавлять турбулентность (ламинаризацию) [4]

Расчет полной теплопередачи [ править ]

Простое добавление или вычитание коэффициентов теплопередачи для принудительной и естественной конвекции приведет к неточным результатам для смешанной конвекции. Кроме того, поскольку влияние плавучести на теплопередачу иногда даже превышает влияние набегающего потока, смешанную конвекцию не следует рассматривать как чистую принудительную конвекцию. Следовательно, требуются специфические корреляции проблем. Экспериментальные данные показали, что

может описывать усредненную по площади теплопередачу. [7]

Приложения [ править ]

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. [2]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Вс, Хуа; Ру Ли; Эрик Шенье; Гай Лориат (2012). «О моделировании содействия смешанной конвекции в вертикальных каналах» (PDF) . Международный журнал тепломассообмена . 48 (7): 1125–1134. Bibcode : 2012HMT .... 48.1125S . DOI : 10.1007 / s00231-011-0964-8 .
  2. ^ a b c Джой, Дональд Д .; Иосиф П. Бушинский; Пол Э. Сэйлор (1989). «Смешанная конвекция теплопередачи при высоком числе Грасгофа в вертикальной трубе». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 28 (12): 1899–1903. DOI : 10.1021 / ie00096a025 .
  3. ^ Воробей, EM; Eichhorn, R .; Грегг, JL (1959). «Комбинированная принудительная и свободная конвекция в пограничном слое потока». Физика жидкостей . 2 (3): 319–328. Bibcode : 1959PhFl .... 2..319S . DOI : 10.1063 / 1.1705928 .
  4. ^ a b Гарбрехт, Оливер (23 августа 2017 г.). «Моделирование больших вихрей трехмерной смешанной конвекции на вертикальной пластине» (PDF) . RWTH Ахенский университет .
  5. ^ а б Дженгал, Юнус А .; Афшин Дж. Гаджар (2007). Тепло- и массообмен (4-е изд.). Макгроу-Хилл. С. 548–549. ISBN 978-0-07-339812-9.
  6. ^ Абедин, MZ; Tsuji, T .; Ли, Дж. (2012). «Влияние набегающего потока на характеристики тепловых пограничных слоев вдоль нагретой вертикальной плоской пластины». Международный журнал тепла и потока жидкости . 36 : 92–100. DOI : 10.1016 / j.ijheatfluidflow.2012.03.003 .
  7. ^ Siebers, DL (1983). Экспериментальная смешанная конвекция теплопередачи от большой вертикальной поверхности в горизонтальном потоке . Кандидат наук. дипломная работа Стэнфордского университета.