Конвекция

Поток жидкости, возникающий из-за неоднородных свойств жидкости и объемных сил.

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.

Конвекция — это одно- или многофазный поток жидкости , который возникает самопроизвольно из-за комбинированного воздействия неоднородности свойств материала и массовых сил на жидкость , чаще всего плотности и силы тяжести (см. Плавучесть ). Если причина конвекции не установлена, можно предположить, что конвекция вызвана эффектами теплового расширения и плавучести. Конвекция может также иметь место в мягких твердых веществах или смесях , где частицы могут течь.

Тепловое изображение только что зажженного чайника Ghillie . Виден шлейф горячего воздуха, возникающий в результате конвекционного потока.

Конвективный поток может быть переходным (например, при разделении многофазной смеси нефти и воды ) или установившимся (см. Конвекционная ячейка ). Конвекция может быть вызвана гравитационными , электромагнитными или фиктивными массовыми силами. Передача тепла посредством естественной конвекции играет роль в структуре атмосферы Земли , ее океанов и мантии . Отдельные конвективные ячейки в атмосфере можно определить по облакам , причем более сильная конвекция приводит к грозам . Естественная конвекция также играет роль в звездной физике . Конвекцию часто классифицируют или описывают по основному эффекту, вызывающему конвективный поток, например, тепловую конвекцию.

Конвекция не может иметь место в большинстве твердых тел, поскольку не может происходить ни объемных токов, ни значительной диффузии 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.

История

В 1830-х годах в «Бриджуотерских трактатах» термин «конвекция» засвидетельствован в научном смысле. В трактате VIII Уильяма Праута , в книге по химии , говорится: ^[1]

Уильям Праут

Камин с решеткой и дымоходом

[...] 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 осмеливаемся предложить для этой цели термин конвекция , [в сноске: [лат. Convectio , перенос или транспортировка], который не только выражает основной 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».

Терминология

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 конвекция часто относится к передаче тепла посредством конвекции , где префиксный вариант «Естественная конвекция» используется , 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 .

Механизмы

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.

Естественная конвекция

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 тип потока, движения жидкости, такой как вода, или газа, такого как воздух, при котором движение жидкости создается не каким-либо внешним источником (например, насосом, вентилятором, всасывающим устройством и т. д.), а некоторые части жидкости тяжелее других частей. В большинстве случаев это приводит к естественной циркуляции , способности жидкости в системе циркулировать непрерывно, под действием силы тяжести и возможных изменений тепловой энергии. Движущей силой естественной конвекции является гравитация. Например, если поверх более горячего и менее плотного воздуха находится слой холодного плотного воздуха, гравитация сильнее притягивает более плотный слой сверху, поэтому он падает, в то время как более горячий, менее плотный воздух поднимается, чтобы занять его место. Это создает циркулирующий поток: конвекцию. Поскольку он зависит от гравитации, в средах свободного падения ( инерциальных ), таких как орбитальная Международная космическая станция, конвекция отсутствует . Естественная конвекция может возникать при наличии горячих и холодных областей воздуха или воды, поскольку и вода, и воздух становятся менее плотными при нагревании. 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 огня , 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 ).

Обратите внимание, что 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 материалов, которые являются жидкими при обычных температурах, расширяются при нагревании, становясь менее плотными . Соответственно, при охлаждении они становятся 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 или плавучая конвекция

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 воде. ^[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, с самыми плотными частями на глубине), продолжает вызывать часть конвекции жидкой породы и расплавленного металла внутри Земли (см. Ниже). .

Гравитационная конвекция, как и естественная тепловая конвекция, также требует наличия перегрузочной среды.

Твердотельная конвекция во льду

Считается, что ледяная конвекция на Плутоне происходит в мягкой смеси азотного льда и льда угарного газа . Это также было предложено для Европы [ ^7] и других тел во внешней Солнечной системе. ^[7]

Термомагнитная конвекция

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 .

Горение

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 вытесняются холодным, свежим, богатым кислородом газом. перемещается внутрь, заполняя зоны низкого давления, образующиеся при конденсации воды, образующейся при выхлопе пламени.

Примеры и приложения

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, мантиях планет 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.

Демонстрационные эксперименты

Тепловая циркуляция воздушных масс

Термическую конвекцию в жидкостях можно продемонстрировать, поместив источник тепла (например, горелку Бунзена ) сбоку от контейнера 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 с водой охлажденный в холодильнике синего цвета, опущенный в резервуар с прозрачной водой комнатной температуры). ^[10]

Третий подход — использовать две одинаковые банки: одна наполнена горячей водой, окрашенной в один цвет, и холодной водой другого цвета. Затем одну банку временно запечатывают (например, куском картона), переворачивают и помещают 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]

Двойная диффузионная конвекция

Конвекционные ячейки

Конвекционные ячейки в гравитационном поле

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. 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]

Атмосферная конвекция

Атмосферная циркуляция

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.

Широтная циркуляция возникает потому, что падающая солнечная радиация на единицу площади максимальна на тепловом экваторе и уменьшается по мере увеличения широты , достигая минимума на полюсах. Он состоит из двух первичных конвекционных ячеек, ячейки Хэдли и полярного вихря , причем ячейка Хэдли испытывает более сильную конвекцию из-за высвобождения скрытой тепловой энергии за счет конденсации водяного пара на больших высотах во время образования облаков.

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 .

Погода

Как производят Фен

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 термического потока. 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 внутри более холодного воздуха, ^[19] подобно воздушным шарам . ^[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 воздух, ^[22] продолжая восхождение облака. Если в атмосфере присутствует достаточная нестабильность , этот процесс будет продолжаться достаточно долго, чтобы образовались кучево-дождевые облака , 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]

Океаническая циркуляция

Океанские течения

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] и западные ветры дуют на восток в средних широтах. ^[26] Этот характер ветра оказывает давление на субтропическую поверхность океана с отрицательной закручиваемостью в Северном полушарии , ^[27] и обратной закруткой 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 течением, направленным к полюсу, которое течет вдоль западной части субтропического хребта. границей океанского бассейна, перевешивая 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. Когда образуется морской лед, 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]

Мантийная конвекция

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 перемещаться 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 в 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 радиоактивный распад 40 К , урана и тория. Это позволило тектонике плит на Земле продолжаться гораздо дольше, чем если бы она была просто вызвана теплом, оставшимся от формирования Земли; или с теплом, вырабатываемым гравитационной потенциальной энергией , в результате физического перераспределения более плотных частей недр Земли по направлению к центру планеты (т. е. своего рода продолжительное падение и оседание).

Эффект стека

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 в плотности воздуха внутри 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.

Звездная физика

Иллюстрация строения Солнца и 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.

Конвекция воды при минусовых температурах

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 °C и уменьшается при отклонении температуры. Это явление исследуется экспериментальными и численными методами. ^[36] Вода изначально 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]} Поскольку вода охлаждается у правой стенки, плотность увеличивается, что ускоряет поток 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]} При 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 теплое течение. ^[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]

Ядерные реакторы

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 на насосы невозможно подать электроэнергию. Яркими примерами являются реакторы S5G ^{[43] [44] [45]} и S8G ^{[46] [47] [48]} ВМС США , которые были спроектированы для работы на значительной части полной мощности в условиях естественной циркуляции, что приводит к снижению шума этих двигательных установок. . 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.

Математические модели конвекции

Для описания и прогнозирования конвекции был выведен ряд безразмерных членов, включая число Архимеда , число Грасгофа , число Ричардсона и число Рэлея .

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 , то вынужденной конвекцией можно пренебречь, а если , то естественной конвекцией можно пренебречь. Если соотношение, известное как число Ричардсона , примерно равно единице, то необходимо учитывать как вынужденную, так и естественную конвекцию. ${\displaystyle {\rm {Gr/Re^{2}\gg 1}}}$ ${\displaystyle {\rm {Gr/Re^{2}\ll 1}}}$

Начало

Начало естественной конвекции определяется числом Рэлея ( Ra ). Это безразмерное число определяется выражением

${\displaystyle {\textbf {Ra}}={\frac {\Delta \rho gL^{3}}{D\mu }}}$

где

• ${\displaystyle \Delta \rho }$это разница в плотности между двумя порциями материала, которые смешиваются
• ${\displaystyle g}$- местное гравитационное ускорение
• ${\displaystyle L}$- характерный масштаб конвекции: например, глубина кипящего котла.
• ${\displaystyle D}$- коэффициент диффузии характеристики, вызывающей конвекцию, и
• ${\displaystyle \mu }$– динамическая вязкость .

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:

${\displaystyle \Delta \rho =\rho _{0}\beta \Delta T}$

где

• ${\displaystyle \rho _{0}}$- эталонная плотность, обычно выбираемая как средняя плотность среды,
• ${\displaystyle \beta }$- коэффициент теплового расширения , а
• ${\displaystyle \Delta T}$это разница температур в среде.

Общий коэффициент диффузии переопределяется как коэффициент температуропроводности , . ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle \alpha }$

${\displaystyle D=\alpha }$

Вставка этих замен дает число Рэлея, которое можно использовать для прогнозирования тепловой конвекции. ^[49]

${\displaystyle {\textbf {Ra}}={\frac {\rho _{0}g\beta \Delta TL^{3}}{\alpha \mu }}}$

Турбулентность

Склонность конкретной естественно конвективной системы к турбулентности зависит от числа Грасгофа (Gr). ^[50]

${\displaystyle Gr={\frac {g\beta \Delta TL^{3}}{\nu ^{2}}}}$

В очень липких, вязких жидкостях (большие ν ) движение жидкости ограничено, и естественная конвекция будет нетурбулентной.

После рассмотрения предыдущего подраздела типичная скорость жидкости имеет порядок , вплоть до числового коэффициента, 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). ${\displaystyle g\Delta \rho L^{2}/\mu }$

Поведение

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:

${\displaystyle Gr={\frac {g\beta \Delta CL^{3}}{\nu ^{2}}}}$

Естественная конвекция сильно зависит от геометрии горячей поверхности, существуют различные корреляции для определения коэффициента теплопередачи. Общая корреляция, применимая для различных геометрических форм, такова:

${\displaystyle Nu=\left[Nu_{0}^{\frac {1}{2}}+Ra^{\frac {1}{6}}\left({\frac {f_{4}\left(Pr\right)}{300}}\right)^{\frac {1}{6}}\right]^{2}}$

Значение f ₄ (Пр) рассчитывают по следующей формуле

${\displaystyle f_{4}(Pr)=\left[1+\left({\frac {0.5}{Pr}}\right)^{\frac {9}{16}}\right]^{\frac {-16}{9}}}$

Nu — число Нуссельта , а значения Nu ₀ и характеристической длины, используемые для расчета Re, перечислены ниже (см. также Обсуждение):

Внимание : значения, указанные для горизонтального цилиндра , неверны ; смотри обсуждение.

Естественная конвекция от вертикальной пластины

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]

Nu _m = 0,478(Гр ^0,25 ) ^[52]

Среднее число Нуссельта = Nu _m = h _m L/k ^[52]

где

• h _m = средний коэффициент, применимый между нижним краем пластины и любой точкой на расстоянии L (Вт/м ² . К)
• L = высота вертикальной поверхности (м)
• k = теплопроводность (Вт/м.К)

Число Грасгофа = Гр = ^{[51] [52]} ${\displaystyle [gL^{3}(t_{s}-t_{\infty })]/v^{2}T}$

где

• g = гравитационное ускорение (м/с ² )
• L = расстояние над нижним краем (м)
• t _s = температура стены (К)
• t∞ = температура жидкости за пределами теплового пограничного слоя (К)
• v = кинематическая вязкость жидкости (м ² /с)
• Т = абсолютная температура (К)

Когда поток турбулентный, необходимо использовать различные корреляции, включающие число Рэлея (функцию как числа Грасгофа , так и числа Прандтля ). ^[52]

Обратите внимание, что приведенное выше уравнение отличается от обычного выражения для числа Грасгофа , поскольку это значение было заменено его приближением , которое применимо только для идеальных газов (разумное приближение для воздуха при окружающем давлении). ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle 1/T}$

Формирование узора

Жидкость в условиях конвекции Рэлея – Бенара : левый рисунок представляет тепловое поле, а правый — его двумерное преобразование Фурье .

Конвекция, особенно конвекция Рэлея-Бенара , где конвектирующая жидкость удерживается двумя жесткими горизонтальными пластинами, является удобным примером системы, образующей узор .

Когда тепло подается в систему с одного направления (обычно снизу), 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: при этом 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 .

Когда число Рэлея увеличивается еще больше, чем значение, при котором впервые появляются конвекционные ячейки, система может претерпеть другие бифуркации, и могут начать появляться другие более сложные структуры, такие как спирали .

Смотрите также

• Уравнение конвекции-диффузии
• клетки Бенара
• Уравнение Черчилля – Бернштейна
• Комбинированная принудительная и естественная конвекция.
• Двойная диффузионная конвекция
• Принудительная конвекция
• Динамика жидкостей
• Теплообменник
• Теплопередача
  • Конвективный теплообмен
• Рост пьедестала с лазерным нагревом
• Естественная вентиляция
• Число Нуссельта
• Напор
• Термомагнитная конвекция
• Вихревая трубка
• Конвективное перемешивание

Рекомендации

1. Праут, Уильям. (1834 г.). Химия, метеорология и функция пищеварения: рассматривается со ссылкой на естественное богословие. Бриджуотерские трактаты: О силе, мудрости и благости Бога, проявленных в творении. Трактат 8. Уильям Пикеринг. стр. 65–66.
2. Мансон, Брюс Р. (1990). Основы механики жидкости . Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-0-471-85526-2.
3. Фалькович, Г. (2011). Механика жидкости, краткий курс для физиков. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-107-00575-4. Архивировано из оригинала 20 января 2012 г.
4. Ченгель, Юнус А.; Болес, Майкл А. (2001). Термодинамика: инженерный подход . Макгроу-Хилл Образование . ISBN 978-0-07-121688-3.
5. Картрайт, Джулиан HE ; Пиро, Оресте; Виллакампа, Ана И. (2002). «Формирование узора в растворенной конвекции: вермикулированные рулоны и изолированные клетки». Физика А: Статистическая механика и ее приложения . 314 (1): 291. Бибкод : 2002PhyA..314..291C. CiteSeerX 10.1.1.15.8288 . дои : 10.1016/S0378-4371(02)01080-4. 
6. Раатс, PAC (1969). «Устойчивая гравитационная конвекция, вызванная линейным источником соли в почве». Труды Американского общества почвоведения . 33 (4): 483–487. Бибкод : 1969SSASJ..33..483R. дои : 10.2136/sssaj1969.03615995003300040005x.
7. Маккиннон, Уильям Б. (2006). «О конвекции во ледяных оболочках внешних тел Солнечной системы с подробным применением к Каллисто». Икар . 183 (2): 435–450. Бибкод : 2006Icar..183..435M. дои : 10.1016/j.icarus.2006.03.004.
8. Конвекционный эксперимент - GCSE Physics, заархивировано из оригинала 11 декабря 2021 г. , получено 11 мая 2021 г.
9. Конвекционный эксперимент, заархивировано из оригинала 11 декабря 2021 г. , получено 11 мая 2021 г.
10. Демонстрация Convection Current Lab, заархивировано из оригинала 11 декабря 2021 г. , получено 11 мая 2021 г.
11. Красочные конвекционные потоки - больная наука! № 075, заархивировано из оригинала 11 декабря 2021 г. , получено 11 мая 2021 г.
12. Конвекция в газах, заархивировано из оригинала 11 декабря 2021 г. , получено 11 мая 2021 г.
13. Колли, АН; Бисанг, Дж. М. (2023). «Изучение влияния изменений концентрации и температуры на переходную естественную конвекцию при электроосаждении металлов: анализ методом конечных объемов». Журнал Электрохимического общества . 170 (8):083505. Бибкод :2023JЭлС..170х3505С. дои : 10.1149/1945-7111/acef62. S2CID  260857287.
14. Пидвирный, Майкл (2008). «ГЛАВА 8: Введение в гидросферу (д). Процессы образования облаков». Физическая география. Архивировано из оригинала 20 декабря 2008 г. Проверено 1 января 2009 г.
15. «Что такое сезон дождей?». 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.
16. Хан, Дуглас Г.; Манабе, Сюкуро (1975). «Роль гор в циркуляции муссонов в Южной Азии». Журнал атмосферных наук . 32 (8): 1515–1541. Бибкод : 1975JAtS...32.1515H. doi : 10.1175/1520-0469(1975)032<1515:TROMIT>2.0.CO;2 . ISSN  1520-0469.
17. Университет Висконсина. Морские и сухопутные бризы. Архивировано 4 июля 2012 г. на Wayback Machine . Проверено 24 октября 2006 г.
18. JetStream: Интернет-школа погоды (2008). Морской бриз. Архивировано 23 сентября 2006 г. в Национальной метеорологической службе Wayback Machine . Проверено 24 октября 2006 г.
19. Фрай, Альберт Ирвин (1913). Карманник инженера-строителя: справочник для инженеров-подрядчиков. Компания Д. Ван Ностранда. п. 462 . Проверено 31 августа 2009 г.
20. Дэн, Йикне (2005). Древние китайские изобретения. Китайская международная пресса. стр. 112–13. ISBN 978-7-5085-0837-5. Проверено 18 июня 2009 г.
21. «Туман и слои - метеорологические физические предпосылки». Централштальт по метеорологии и геодинамике. ФМИ. 2007. Архивировано из оригинала 6 июля 2011 г. Проверено 7 февраля 2009 г.
22. Муни, Крис С. (2007). Мир штормов: ураганы, политика и битва за глобальное потепление. Хоутон Миффлин Харкорт. п. 20. ISBN 978-0-15-101287-9. Проверено 31 августа 2009 г.
23. Могил, Майкл Х. (2007). Экстремальные погодные условия. Нью-Йорк: Black Dog & Leventhal Publisher. стр. 210–211. ISBN 978-1-57912-743-5.
24. «Учебник по суровой погоде: вопросы и ответы о грозах» . Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Национальная лаборатория сильных штормов. 15 октября 2006 г. Архивировано из оригинала 25 августа 2009 г. Проверено 1 сентября 2009 г.
25. «пассаты». Словарь метеорологии . Американское метеорологическое общество. 2009. Архивировано из оригинала 11 декабря 2008 г. Проверено 8 сентября 2008 г.
26. Глоссарий метеорологии (2009). Вестерли. Архивировано 22 июня 2010 г. в Wayback Machine Американского метеорологического общества . Проверено 15 апреля 2009 г.
27. Матиас Томчак и Дж. Стюарт Годфри (2001). Региональная океанография: Введение. Архивировано 14 сентября 2009 г. в Wayback Machine Маттиаса Томчака, стр. 42. ISBN 81-7035-306-8 . Проверено 6 мая 2009 г. 
28. Earthguide (2007). Урок 6: Разгадка загадки Гольфстрима: теплое течение, идущее на север. Архивировано 23 июля 2008 г. в Калифорнийском университете Wayback Machine в Сан-Диего. Проверено 6 мая 2009 г.
29. Анджела Коллинг (2001). Циркуляция океана. Архивировано 2 марта 2018 г. в Wayback Machine Butterworth-Heinemann, стр. 96. Проверено 7 мая 2009 г.
30. Национальная служба экологических спутников, данных и информации (2009). Исследование Гольфстрима. Архивировано 3 мая 2010 г. в Университете штата Северная Каролина Wayback Machine . Проверено 6 мая 2009 г.
31. Рассел, Рэнди. «Термохалинная циркуляция океана». Университетская корпорация атмосферных исследований. Архивировано из оригинала 25 марта 2009 г. Проверено 6 января 2009 г.
32. Бел, Р. «Водные массы Атлантического океана». Калифорнийский государственный университет в Лонг-Бич. Архивировано из оригинала 23 мая 2008 года . Проверено 6 января 2009 г.
33. 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.
34. Конди, Кент К. (1997). Тектоника плит и эволюция земной коры (4-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. п. 5. ISBN 978-0-7506-3386-4. Архивировано из оригинала 29 октября 2013 г.
35. Благослови, Роберт С. (1996). Открывая Космос. Университетские научные книги. п. 310. ИСБН 9780935702675.
36. Банашек, Дж.; Джалурия, Ю.; Ковалевски, Т.А.; Ребоу, М. (1 октября 1999 г.). «Полунеявный Fem-анализ естественной конвекции в замерзающей воде». Численная теплопередача, Часть A: Приложения . 36 (5): 449–472. Бибкод : 1999NHTA...36..449B. дои : 10.1080/104077899274624. ISSN  1040-7782. S2CID  3740709.
37. «Вода - плотность, удельный вес и коэффициент термического расширения» . www.engineeringtoolbox.com . Проверено 1 декабря 2018 г.
38. Дебенедетти, Пабло Г.; Стэнли, Х. Юджин (июнь 2003 г.). «Переохлажденная и стекловидная вода» (PDF) . Физика сегодня . Архивировано (PDF) из оригинала 1 марта 2006 г. Проверено 1 декабря 2018 г.
39. Джанги, Марилена; Стелла, Фульвио; Ковалевский, Томаш А. (декабрь 1999 г.). «Проблемы фазового перехода со свободной конвекцией: численное моделирование с фиксированной сеткой». Вычисления и визуализация в науке . 2 (2–3): 123–130. CiteSeerX 10.1.1.31.9300 . дои : 10.1007/s007910050034. ISSN  1432-9360. S2CID  3756976. 
40. 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.
41. 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.
42. Мур, Эмили Б.; Молинеро, Валерия (ноябрь 2011 г.). «Структурное преобразование в переохлажденной воде контролирует скорость кристаллизации льда». Природа . 479 (7374): 506–508. arXiv : 1107.1622 . Бибкод : 2011Natur.479..506M. дои : 10.1038/nature10586. ISSN  0028-0836. PMID  22113691. S2CID  1784703.
43. «Технические инновации подводных сил». Начальник отдела подводной борьбы ВМФ. Архивировано из оригинала 27 января 2006 г. Проверено 12 марта 2006 г.
44. «Приложение C, Приложение к NR:IBO-05/023, Оценка радиоактивных отходов военно-морской реакторной установки, захороненных на Комплексе по обращению с радиоактивными отходами» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 февраля 2012 г. Проверено 12 марта 2006 г.
45. Джонс, Эдвард Монро; Родерик, Шон С. (4 ноября 2014 г.). Тактика подводных торпед: американская история. МакФарланд. п. 153. ИСБН 978-0-7864-9646-4.
46. Энциклопедия кораблей /Ракетные ПЛ /Огайо (на русском языке). Архивировано из оригинала 14 июля 2006 г. Проверено 12 марта 2006 г.
47. "Огайо, атомная подводная лодка с баллистическими ракетами ВМС США" . Архивировано из оригинала 20 июля 2006 г. Проверено 12 марта 2006 г.
48. «Функция только для участников, необходима регистрация» . Архивировано из оригинала 23 февраля 2007 г. Проверено 12 марта 2006 г.
49. Дональд Л. Теркотт; Джеральд Шуберт. (2002). Геодинамика . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-66624-4.
50. Кейс, Уильям; Кроуфорд, Майкл; Вейганд, Бернхард (2004). Конвективный тепло- и массоперенос, 4E . МакГроу-Хилл Профессионал. ISBN 978-0072990737.
51. В. Маккейб Дж. Смит (1956). Единичные операции химического машиностроения . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-044825-4.
52. Беннетт (1962). Импульс, тепло и массоперенос . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-004667-2.

Внешние ссылки