Конвекция

Течение жидкости, возникающее из-за неоднородных свойств жидкости и сил, действующих на тело

Моделирование тепловой конвекции в мантии Земли . Горячие области показаны красным, холодные — синим. Горячий, менее плотный материал внизу движется вверх, и аналогично, холодный материал сверху движется вниз.

Конвекция — это однофазный или многофазный поток жидкости , который происходит спонтанно из-за комбинированного воздействия неоднородности свойств материала и объемных сил на жидкость , чаще всего плотности и гравитации (см. плавучесть ). Когда причина конвекции не указана, можно предположить, что конвекция вызвана эффектами теплового расширения и плавучести. Конвекция может также иметь место в мягких твердых телах или смесях , где частицы могут течь.

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

Конвективный поток может быть переходным (например, когда многофазная смесь нефти и воды разделяется) или стационарным (см. конвективная ячейка ). Конвекция может быть вызвана гравитационными , электромагнитными или фиктивными телесными силами. Передача тепла посредством естественной конвекции играет роль в структуре атмосферы Земли , ее океанов и ее мантии . Дискретные конвективные ячейки в атмосфере можно определить по облакам , при этом более сильная конвекция приводит к грозам . Естественная конвекция также играет роль в физике звезд . Конвекцию часто классифицируют или описывают по основному эффекту, вызывающему конвективный поток; например, тепловая конвекция.

Конвекция не может происходить в большинстве твердых тел, поскольку не могут происходить ни объемные токи, ни значительная диффузия вещества. Гранулярная конвекция — это похожее явление в гранулированном материале, а не в жидкостях. Адвекция — это движение жидкости, создаваемое скоростью, а не тепловыми градиентами. Конвективный перенос тепла — это преднамеренное использование конвекции в качестве метода передачи тепла . Конвекция — это процесс, в котором тепло переносится с места на место за счет объемного движения жидкости и газов.

История

В 1830-х годах в «Трактатах Бриджуотера » 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, которые очень хорошо иллюстрирует обычный камин. Если, например, мы поместим термометр прямо перед огнем, он вскоре начнет подниматься, указывая на повышение температуры. В этом случае тепло прошло через пространство между огнем и термометром, посредством процесса, называемого излучением . Если мы поместим второй термометр в контакте с любой частью решетки и вдали от прямого влияния огня, мы обнаружим, что этот термометр также указывает на повышение температуры; но здесь тепло должно было пройти через металл решетки, в результате того, что называется проводимостью . Наконец, третий термометр, помещенный в дымоход, вдали от прямого влияния огня, также покажет значительное повышение температуры; в этом случае часть воздуха, проходя через огонь и вблизи него, нагрелась и перенесла по дымоходу температуру, приобретенную от огня. В настоящее время в нашем языке нет единого термина, используемого для обозначения этого третьего способа распространения тепла; но мы осмелимся предложить для этой цели термин «конвекция » [в сноске: [лат.] Convectio , перенос или передача], который не только выражает основной факт, но и очень хорошо согласуется с двумя другими терминами.

Позднее, в том же трактате VIII, в книге о метеорологии , понятие конвекции применяется также к «процессу, посредством которого тепло передается через воду».

Терминология

Сегодня слово «конвекция» имеет различные, но связанные между собой значения в различных научных и инженерных контекстах и ​​приложениях.

В механике жидкости конвекция имеет более широкое значение: она относится к движению жидкости, вызванному разницей в плотности (или другом свойстве). ^{[2] [3]}

В термодинамике под конвекцией часто понимают передачу тепла посредством конвекции , где префикс «Естественная конвекция» используется для различения концепции конвекции из механики жидкости (рассматриваемой в этой статье) от конвективной передачи тепла. ^[4]

Некоторые явления, приводящие к эффекту, внешне схожему с эффектом конвективной ячейки, также могут (неточно) называться формой конвекции; например, термокапиллярная конвекция и гранулярная конвекция .

Механизмы

Конвекция может происходить в жидкостях во всех масштабах, превышающих несколько атомов. Существует множество обстоятельств, при которых возникают силы, необходимые для конвекции, что приводит к различным типам конвекции, описанным ниже. В широком смысле, конвекция возникает из-за сил тела, действующих внутри жидкости, таких как гравитация.

Естественная конвекция

Ячейки Рэлея-Бенара .

На этом цветном шлирен -изображении показана тепловая конвекция , возникающая в результате теплопроводности от человеческой руки (силуэт) к окружающей неподвижной атмосфере, первоначально за счет диффузии от руки к окружающему воздуху, а затем также в результате адвекции, поскольку тепло заставляет воздух 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. Давление внизу погруженного объекта затем превышает давление наверху, в результате чего возникает чистая восходящая сила плавучести , равная весу вытесненной жидкости. Объекты с большей плотностью, чем у вытесненной жидкости, затем тонут. Например, области более теплого воздуха с низкой плотностью поднимаются, в то время как области более холодного воздуха с высокой плотностью опускаются. Это создает циркулирующий поток: конвекцию.

Гравитация приводит в движение естественную конвекцию. Без гравитации конвекция не происходит, поэтому конвекции нет в условиях свободного падения ( инерционных ), таких как на орбитальной Международной космической станции. Естественная конвекция может происходить, когда есть горячие и холодные области воздуха или воды, потому что и вода, и воздух становятся менее плотными по мере нагревания. Но, например, в мировых океанах это также происходит из-за того, что соленая вода тяжелее пресной, поэтому слой соленой воды поверх слоя более пресной воды также вызовет конвекцию.

Естественная конвекция привлекла большое внимание исследователей из-за ее присутствия как в природе, так и в инженерных приложениях. В природе конвекционные ячейки, образованные из воздуха, поднимающегося над нагретой солнечным светом землей или водой, являются основной чертой всех погодных систем. Конвекция также наблюдается в восходящем шлейфе горячего воздуха от огня , тектоники плит , океанических течений ( термохалинная циркуляция ) и образования морского ветра (где восходящая конвекция также изменяется силами Кориолиса ). В инженерных приложениях конвекция обычно визуализируется в образовании микроструктур во время охлаждения расплавленных металлов и потоков жидкости вокруг окутанных ребер рассеивания тепла 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 изменении плотности между двумя жидкостями, большем ускорении из-за силы тяжести, которая движет конвекцией, или большем расстоянии через конвектирующую среду. Естественная конвекция будет менее вероятной и менее быстрой при более быстрой диффузии (тем самым рассеивая тепловой градиент, который вызывает 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, в этом случае движение жидкости называется гравитационной конвекцией (см. ниже). Однако все типы плавучей конвекции, включая естественную конвекцию, не происходят в условиях микрогравитации . Все они требуют наличия среды, которая испытывает g-силу ( собственное ускорение ).

Разница в плотности жидкости является ключевым движущим механизмом. Если разница в плотности вызвана теплом, эта сила называется «термической головкой» или «термической 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 располагается ниже радиатора.

Большинство жидкостей расширяются при нагревании, становясь менее плотными , и сжимаются при охлаждении, становясь более плотными. В источнике тепла системы естественной циркуляции нагретая жидкость становится легче окружающей ее жидкости и, таким образом, поднимается. В радиаторе близлежащая жидкость становится более плотной по мере охлаждения и тянется вниз под действием силы тяжести. Вместе эти эффекты создают поток жидкости от источника тепла к радиатору и обратно.

Гравитационная или плавучая конвекция

Гравитационная конвекция — это тип естественной конвекции, вызванной изменениями плавучести, вызванными свойствами материала, отличными от температуры. Обычно это вызвано переменным составом жидкости. Если переменное свойство — это градиент концентрации, это известно как конвекция растворения . ^[5] Например, гравитационную конвекцию можно наблюдать при 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 связаны с дополнительными факторами плотности состава, отличными от изменений плотности из-за теплового расширения (см. термохалинная циркуляция ). Аналогичным образом, переменный состав внутри Земли, который еще не достиг максимальной стабильности и минимальной энергии (другими словами, с самыми плотными частями, находящимися на самой большой глубине), продолжает вызывать часть конвекции жидкой породы и расплавленного металла внутри Земли (см. ниже).

Гравитационная конвекция, как и естественная тепловая конвекция, для своего возникновения также требует наличия перегрузки .

Твердотельная конвекция во льду

Конвекция льда на Плутоне , как полагают, происходит в мягкой смеси азотного льда и оксида углерода . Это также было предложено для Европы , ^[7] и других тел во внешней Солнечной системе. ^[7]

Термомагнитная конвекция

Термомагнитная конвекция может возникнуть, когда внешнее магнитное поле накладывается на феррожидкость с переменной магнитной восприимчивостью . При наличии градиента температуры это приводит к неравномерной силе магнитного тела, которая приводит к движению жидкости. Феррожидкость — это жидкость, которая становится сильно намагниченной в присутствии магнитного поля .

Сгорание

В условиях невесомости не может быть никаких сил плавучести, и, следовательно, невозможна никакая конвекция, поэтому пламя во многих случаях без гравитации задыхается в своих собственных отработанных газах. Тепловое расширение и химические реакции, приводящие к расширению и сжатию газов, обеспечивают вентиляцию пламени, поскольку отработанные газы вытесняются холодным, свежим, богатым кислородом газом. перемещается, чтобы занять зоны низкого давления, создаваемые при конденсации воды, выходящей из 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. В этом процессе вода становится соленой и плотной. 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 передачи тепла для большой доли внешних недр Солнца и всех звезд. Движение жидкости во время конвекции может быть невидимо медленным, или оно может быть очевидным и быстрым, как в урагане . В астрономических масштабах считается, что конвекция газа и пыли происходит в аккреционных дисках черных дыр со скоростями, которые могут близко приближаться к скорости света.

Демонстрационные эксперименты

Термическая циркуляция воздушных масс

Тепловая конвекция в жидкостях может быть продемонстрирована путем размещения источника тепла (например, горелки Бунзена ) сбоку от контейнера с жидкостью. Добавление красителя в воду (например, пищевого красителя) позволит визуализировать поток. ^{[8] [9]}

Другой распространенный эксперимент для демонстрации тепловой конвекции в жидкостях заключается в погружении открытых емкостей с горячей и холодной жидкостью, окрашенной красителем, в большую емкость с той же жидкостью без красителя при промежуточной температуре (например, банка с горячей водопроводной водой, окрашенная в красный цвет, банка с водой, охлажденной в холодильнике, окрашенная в синий цвет, опущенная в прозрачную емкость с водой комнатной температуры). ^[10]

Третий подход заключается в использовании двух одинаковых банок, одна из которых наполнена горячей водой, окрашенной в один цвет, а холодная вода — в другой. Затем одна банка временно запечатывается (например, куском картона), переворачивается и ставится на другую. Когда картон убирается, если сверху ставится банка с более теплой жидкостью, конвекции не произойдет. Если сверху ставится банка с более холодной жидкостью, то спонтанно образуется конвекционный поток. ^[11]

Конвекцию в газах можно продемонстрировать с помощью свечи в герметичном пространстве с впускным и выпускным отверстиями. Тепло от свечи вызовет сильный конвекционный поток, который можно продемонстрировать с помощью индикатора потока, например, дыма от другой свечи, выделяющегося вблизи впускного и выпускного отверстий соответственно. ^[12]

Двойная диффузионная конвекция

Конвекционные ячейки

Конвекционные ячейки в гравитационном поле

Конвекционная ячейка , также известная как ячейка Бенара , является характерной моделью течения жидкости во многих конвекционных системах. Поднимающееся тело 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. В примере с атмосферой Земли это происходит потому, что она излучает тепло. Из-за этой потери тепла жидкость становится плотнее жидкости под ней, которая все еще поднимается. Поскольку она не может опуститься через поднимающуюся жидкость, она перемещается в одну сторону. На некотором расстоянии ее нисходящая сила преодолевает восходящую силу под ней, и жидкость начинает опускаться. По мере опускания она снова нагревается, и цикл повторяется. Кроме того, конвекционные ячейки могут возникать из-за изменений плотности, возникающих из-за различий в составе электролитов. ^[13]

Атмосферная конвекция

Циркуляция атмосферы

Идеализированное изображение глобальной циркуляции на Земле

Атмосферная циркуляция — это крупномасштабное движение воздуха, а также средство, с помощью которого тепловая энергия распределяется по поверхности Земли вместе с гораздо более медленной (запаздывающей) системой циркуляции океана. Крупномасштабная структура атмосферной циркуляции меняется из года в год, но основная климатологическая структура остается довольно постоянной.

Широтная циркуляция происходит из-за того, что падающая солнечная радиация на единицу площади является самой высокой на тепловом экваторе и уменьшается с увеличением широты , достигая минимума на полюсах. Она состоит из двух основных конвективных ячеек, ячейки Хэдли и полярного вихря , причем ячейка Хэдли испытывает более сильную конвекцию из-за высвобождения скрытой тепловой энергии путем конденсации водяного пара на больших высотах во время образования облаков.

Продольная циркуляция, с другой стороны, возникает из-за того, что океан имеет более высокую удельную теплоемкость, чем земля (а также теплопроводность , что позволяет теплу проникать глубже под поверхность) и, таким образом, поглощает и выделяет больше тепла , но температура изменяется меньше, чем на суше. Это приносит морской бриз, воздух, охлажденный водой, на берег днем, и переносит береговой бриз, воздух, охлажденный контактом с землей, в море ночью. Продольная циркуляция состоит из двух ячеек: циркуляции Уокера и Эль-Ниньо / Южного колебания .

Погода

Как производится фен

Некоторые более локализованные явления, чем глобальное атмосферное движение, также обусловлены конвекцией, включая ветер и часть гидрологического цикла . Например, фён — это нисходящий ветер, который возникает на подветренной стороне горного хребта. Он возникает в результате адиабатического нагревания воздуха, который сбросил большую часть своей влаги на наветренных склонах. ^[14] Из-за различных адиабатических градиентов 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 земной атмосферы. Термики создаются неравномерным нагревом поверхности Земли от солнечного излучения. 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 термический минимум . ^{[15] [16]} Масса более легкого воздуха поднимается, и по мере этого он охлаждается за счет расширения при более низком давлении воздуха. Он прекращает подниматься, когда охлаждается до той же температуры, что и окружающий воздух. С термиком связан нисходящий поток, окружающий термический столб. Нисходящее движение внешней среды вызвано вытеснением более холодного воздуха в верхней части термика. Другим погодным эффектом, вызванным конвекцией, является морской бриз . ^{[17] [18]}

Этапы жизни грозы.

Теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный воздух, поэтому теплый воздух поднимается в более холодном воздухе, ^[19] подобно воздушным шарам . ^[20] Облака образуются, когда относительно теплый воздух, несущий влагу, поднимается в более холодном воздухе. По мере того, как влажный воздух поднимается, он охлаждается, заставляя часть водяного пара в поднимающемся пакете воздуха конденсироваться . ^[21] Когда влага конденсируется, она выделяет энергию, известную как скрытая теплота конденсации, которая позволяет поднимающемуся пакету воздуха охлаждаться меньше, чем окружающий его воздух, ^[22] продолжая подъем облака. Если в атмосфере присутствует достаточная нестабильность , этот процесс будет продолжаться достаточно долго для образования кучево-дождевых облаков , которые поддерживают молнии и гром. Как правило, для образования гроз требуются три условия: влажность, 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, присутствующих в атмосфере, эти три стадии в среднем длятся 30 минут. ^[24]

Океаническая циркуляция

Океанические течения

Солнечная радиация влияет на океаны: теплая вода с экватора имеет тенденцию циркулировать к полюсам , в то время как холодная полярная вода направляется к экватору. Поверхностные течения изначально диктуются условиями поверхностного ветра. Пассаты дуют на запад в тропиках, ^[25] а западные ветры дуют на восток в средних широтах. ^[26] Эта схема ветра оказывает давление на субтропическую поверхность океана с отрицательной завихренностью поперек Северного полушария , ^[27] и наоборот поперек Южного полушария . Результирующий перенос Свердрупа направлен к экватору. ^[28] Из-за сохранения потенциальной завихренности , вызванной ветрами, движущимися к полюсам на западной периферии субтропического хребта , и увеличенной относительной завихренности движущейся к полюсам воды, перенос уравновешивается узким, ускоряющимся течением, направленным к полюсам, которое течет вдоль западной границы океанического бассейна, перевешивая эффекты трения с холодным западным пограничным течением, которое берет начало в высоких широтах. ^[29] Общий процесс, известный как западная интенсификация, приводит к тому, что течения на западной границе океанического бассейна становятся сильнее, чем на восточной границе. ^[30]

По мере продвижения к полюсу теплая вода, переносимая сильным течением теплой воды, подвергается испарительному охлаждению. Охлаждение происходит под действием ветра: ветер, движущийся над водой, охлаждает воду, а также вызывает испарение , оставляя более соленый рассол. В этом процессе вода становится более соленой и плотной и понижается в температуре. После образования морского льда соли выводятся из льда, этот процесс известен как исключение рассола. ^[31] Эти два процесса производят воду, которая становится более плотной и холодной. Вода через северную часть Атлантического океана становится настолько плотной, что начинает опускаться вниз через менее соленую и менее плотную воду. (Эта открытая океанская конвекция мало чем отличается от конвекции лавовой лампы .) Этот нисходящий поток тяжелой, холодной и плотной воды становится частью североатлантических глубинных вод , идущего на юг потока. ^[32]

Конвекция в мантии

Океаническая плита увеличивается в результате подъема глубинных вод (слева) и поглощается в зоне субдукции (справа).

Конвекция мантии — это медленное ползучее движение каменистой мантии Земли, вызванное конвекционными потоками, переносящими тепло из недр Земли на поверхность. ^[33] Это одна из трех движущих сил, которая заставляет тектонические плиты двигаться вокруг поверхности Земли. ^[34]

Поверхность Земли разделена на ряд тектонических плит, которые непрерывно создаются и расходуются на своих противоположных границах плит. Создание ( аккреция ) происходит, когда мантия добавляется к растущим краям плиты. Этот горячий добавленный материал охлаждается за счет проводимости и конвекции тепла. На краях потребления плиты материал термически сжимается, становясь плотным, и он тонет под собственным весом в процессе субдукции в океанической впадине. Этот субдуцированный материал тонет на некоторую глубину в недрах Земли, где ему запрещено погружаться дальше. Субдуцированная океаническая кора вызывает вулканизм.

Конвекция в мантии Земли является движущей силой тектоники плит . Мантийная конвекция является результатом термического градиента: нижняя мантия горячее верхней и , следовательно, менее плотная. Это создает два основных типа нестабильности. В первом типе плюмы поднимаются из нижней мантии, и соответствующие нестабильные области литосферы капают обратно в мантию. Во втором типе субдуцирующие океанические плиты (которые в основном составляют верхний тепловой пограничный слой мантии) погружаются обратно в мантию и движутся вниз к границе ядро-мантия . Мантийная конвекция происходит со скоростью сантиметров в год, и требуется порядка сотен миллионов лет, чтобы завершить цикл конвекции.

Измерения потока нейтрино из ядра Земли (см. kamLAND ) показывают, что источником примерно двух третей тепла во внутреннем ядре является радиоактивный распад 40 K , урана и тория. Это позволило тектонике плит на Земле продолжаться гораздо дольше, чем если бы она просто приводилась в движение теплом, оставшимся от образования Земли; или теплом, произведенным из гравитационной потенциальной энергии , в результате физической перестройки более плотных участков недр Земли по направлению к центру планеты (то есть, тип длительного падения и оседания).

Эффект стека

Эффект дымохода или эффект дымохода — это движение воздуха в здания, дымоходы, дымовые трубы или другие емкости и из них за счет плавучести. Плавучесть возникает из-за разницы в плотности воздуха внутри и снаружи помещения, возникающей из-за разницы температур и влажности. Чем больше разница температур и высота конструкции, тем больше сила плавучести, и, следовательно, эффект дымохода. Эффект дымохода помогает управлять естественной вентиляцией и инфильтрацией. Некоторые градирни работают по этому принципу; аналогично, солнечная восходящая башня — это предлагаемое устройство для выработки электроэнергии на основе эффекта дымохода.

Физика звезд

Иллюстрация структуры Солнца и красного гиганта , показывающая их конвективные зоны. Это зернистые зоны во внешних слоях этих звезд.

Зона конвекции звезды — это диапазон радиусов, в котором энергия переносится наружу из области ядра в основном конвекцией, а не излучением . Это происходит на радиусах, которые достаточно непрозрачны , так что конвекция более эффективна, чем излучение, при переносе энергии. ^[35]

Гранулы на фотосфере Солнца — это видимые вершины конвективных ячеек в фотосфере, вызванные конвекцией плазмы в фотосфере. Поднимающаяся часть гранул расположена в центре, где плазма горячее. Внешний край гранул темнее из-за более холодной нисходящей плазмы. Типичная гранула имеет диаметр порядка 1000 километров, и каждая 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 отрицательных температурах

Вода — это жидкость, которая не подчиняется приближению Буссинеска. ^[36] Это происходит потому, что ее плотность нелинейно изменяется с температурой, что приводит к тому, что ее коэффициент теплового расширения становится непостоянным вблизи температур замерзания. ^{[37] [38]} Плотность воды достигает максимума при 4 °C и уменьшается по мере отклонения температуры. Это явление исследуется экспериментально и численными методами. ^[36] Вода изначально застаивается при 10 °C в квадратной полости. Она по-разному нагревается между двумя вертикальными стенками, где левая и правая стенки поддерживаются при 10 °C и 0 °C соответственно. Аномалия плотности проявляется в ее характере потока. ^{[36] [39] [40] [41]} По мере того, как вода охлаждается у правой стенки, плотность увеличивается, что ускоряет поток вниз. По мере развития потока и дальнейшего охлаждения воды уменьшение плотности вызывает рециркуляционный поток в нижнем правом углу полости.

Другим случаем этого явления является событие переохлаждения , когда вода охлаждается до температур ниже точки замерзания, но не начинает сразу замерзать. ^{[38] [42]} При тех же условиях, что и раньше, развивается поток. После этого температура правой стенки понижается до −10 °C. Это приводит к тому, что вода у этой стенки становится переохлажденной, создает поток против часовой стрелки и изначально подавляет теплый поток. ^[36] Этот шлейф вызван задержкой зарождения льда . ^{[36] [38] [42]} Как только лед начинает образовываться, поток возвращается к той же схеме, что и раньше, и затвердевание постепенно распространяется, пока поток не будет вновь развит. ^[36]

Ядерные реакторы

В ядерном реакторе естественная циркуляция может быть критерием проектирования. Это достигается за счет снижения турбулентности и трения в потоке жидкости (то есть минимизации потери напора ) и предоставления способа удаления любых неработающих насосов из пути жидкости. Кроме того, реактор (как источник тепла) должен быть физически ниже парогенераторов или турбин (теплоотвода). Таким образом, естественная циркуляция будет гарантировать, что жидкость будет продолжать течь до тех пор, пока реактор горячее теплоотвода, даже когда питание не может быть подано на насосы. Известными примерами являются реакторы ВМС США S5G ^{[43] [44] [45]} и S8G ^{[46] [47] [48]} , которые были спроектированы для работы на значительной части полной мощности при естественной циркуляции, что успокаивает эти двигательные установки. Реактор S6G не может работать на мощности при естественной циркуляции, но может использовать ее для поддержания аварийного охлаждения во время отключения.

По природе естественной циркуляции жидкости обычно не движутся очень быстро, но это не обязательно плохо, так как высокие скорости потока не являются существенными для безопасной и эффективной работы реактора. В современных ядерных реакторах реверс потока практически невозможен. Все ядерные реакторы, даже те, которые спроектированы для использования в первую очередь 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 терминов, включая число Архимеда , число Грасгофа , число Ричардсона и число Рэлея .

В случаях смешанной конвекции (естественной и вынужденной, происходящих одновременно) часто возникает необходимость узнать, какая часть конвекции обусловлена ​​внешними ограничениями, такими как скорость жидкости в насосе, а какая — естественной конвекцией, происходящей в системе.

Относительные величины числа Грасгофа и квадрата числа Рейнольдса определяют, какая форма конвекции доминирует. Если , то вынужденной конвекцией можно пренебречь, тогда как если , то естественной конвекцией можно пренебречь. Если отношение, известное как число Ричардсона , приблизительно 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 как

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

где

• ${\displaystyle \Delta \rho }$это разница в плотности между двумя смешивающимися порциями материала
• ${\displaystyle g}$это локальное ускорение свободного падения
• ${\displaystyle L}$характерный масштаб длины конвекции: например, глубина кипящего котла
• ${\displaystyle D}$- это диффузионная характеристика, вызывающая конвекцию, и
• ${\displaystyle \mu }$динамическая вязкость .

Естественная конвекция будет более вероятной и/или более быстрой при большем изменении плотности между двумя жидкостями, большем ускорении из-за силы тяжести, которая движет конвекцией, и/или большем расстоянии через конвектирующую среду. Конвекция будет менее вероятной и/или менее быстрой при более быстрой диффузии (тем самым рассеивая градиент, который вызывает конвекцию) и/или более вязкой (липкой) жидкости.

Для тепловой конвекции из-за нагрева снизу, как описано выше в кипящем горшке, уравнение модифицируется для теплового расширения и температуропроводности. Изменения плотности из-за теплового расширения определяются как:

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

где

• ${\displaystyle \rho _{0}}$— опорная 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 температуропроводность , . ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle \alpha }$

${\displaystyle D=\alpha }$

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

Тенденция 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.

Следуя рассмотрению предыдущего подраздела, типичная скорость жидкости имеет порядок , с точностью до числового множителя, зависящего от геометрии системы. Таким образом, 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, происходящей из-за градиента концентрации , иногда называемой термо-солютальной конвекцией. В этом случае концентрация горячей жидкости диффундирует в холодную жидкость, во многом 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, которая применяется для различных геометрий, 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 (Pr) рассчитывается 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 характерной длины, используемые для расчета Re, приведены ниже (см. также Обсуждение):

Предупреждение : значения, указанные для горизонтального цилиндра , неверны ; см. обсуждение.

Естественная конвекция от вертикальной пластины

Одним из примеров естественной конвекции является передача тепла от изотермической вертикальной пластины, погруженной в жидкость, заставляющая жидкость двигаться параллельно пластине. Это будет происходить в любой системе, где плотность движущейся жидкости меняется в зависимости от положения. Эти явления будут иметь значение только тогда, когда движущаяся жидкость минимально затронута принудительной конвекцией. ^[51]

При рассмотрении течения жидкости как результата нагрева можно использовать следующие соотношения, предполагая, что жидкость является идеальной двухатомной, имеет прилегающую к вертикальной пластине постоянную температуру, а течение жидкости является полностью ламинарным. ^[52]

Nu _m = 0,478(Gr ^0,25 ) ^[52]

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

где

• h _m = средний коэффициент, применяемый 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 = Gr = ^{[51] [52]} ${\displaystyle [gL^{3}(t_{s}-t_{\infty })]/v^{2}T}$

где

• g = ускорение свободного падения (м/с ² )
• L = расстояние над нижним краем (м)
• t _s = температура стенки (К)
• t∞ = температура жидкости вне теплового пограничного слоя (К)
• v = кинематическая вязкость жидкости (м ² /с)
• T = 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 значение было заменено его приближением , которое применимо только для идеальных газов (разумное приближение для воздуха при давлении окружающей среды). ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle 1/T}$

Формирование паттерна

Жидкость в условиях конвекции Рэлея–Бенара : левая картинка представляет тепловое поле, а правая — его двумерное преобразование Фурье .

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

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 устойчивого проводящего состояния в конвекционное состояние, в котором начинается объемное движение жидкости из-за тепла. Если параметры жидкости, отличные от плотности, не зависят существенно от температуры, профиль потока симметричен, с одинаковым объемом жидкости, поднимающейся и опускающейся. Это известно как конвекция Буссинеска .

По мере того, как разница температур между верхней и нижней частью жидкости становится выше, в жидкости могут возникнуть значительные различия в параметрах жидкости, отличных от плотности, из-за температуры. Примером такого параметра является вязкость , которая может начать значительно меняться по горизонтали между слоями жидкости. Это нарушает симметрию системы и в целом изменяет рисунок движущейся вверх и вниз жидкости с полос на шестиугольники, как показано справа. Такие шестиугольники являются одним из примеров конвективной ячейки .

По мере того, как число Рэлея увеличивается еще больше, превышая значение, при котором впервые появляются конвективные ячейки, система может претерпеть другие бифуркации, и могут начать появляться другие, более сложные узоры, такие как спирали .

Смотрите также

• Уравнение конвекции-диффузии
• ячейки Бенара
• Уравнение Черчилля–Бернштейна
• Комбинированная принудительная и естественная конвекция
• Двойная диффузионная конвекция
• Принудительная конвекция
• Динамика жидкости
• Теплообменник
• Передача тепла
  • Конвективный теплообмен
• Рост пьедестала с лазерным нагревом
• Естественная вентиляция
• Конвекционная дверца
• Число Нуссельта
• Напорная головка
• Термомагнитная конвекция
• Вихревая трубка
• Конвективное смешивание

Ссылки

1. Праут, Уильям. (1834). Химия, метеорология и функция пищеварения: рассмотрены со ссылкой на естественное богословие. Трактаты Бриджуотера: О силе, мудрости и благости Бога, проявленных в творении. Трактат 8. Уильям Пикеринг. С. 65–66.
2. Мансон, Брюс Р. (1990). Основы механики жидкости . John Wiley & Sons . ISBN 978-0-471-85526-2.
3. Фалькович, Г. (2011). Механика жидкости, краткий курс для физиков. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-00575-4. Архивировано из оригинала 2012-01-20.
4. Çengel, Yunus A.; Boles, Michael A. (2001). Термодинамика: инженерный подход . McGraw-Hill Education . ISBN 978-0-07-121688-3.
5. Картрайт, Джулиан Х. Э .; Пиро, Оресте; Виллакампа, Ана И. (2002). «Формирование структуры при конвекции растворов: вермикулярные валики и изолированные ячейки». Physica A: Статистическая механика и ее приложения . 314 (1): 291. Bibcode :2002PhyA..314..291C. CiteSeerX 10.1.1.15.8288 . doi :10.1016/S0378-4371(02)01080-4. 
6. Raats, PAC (1969). «Устойчивая гравитационная конвекция, вызванная линейным источником соли в почве». Труды Американского общества почвоведов . 33 (4): 483–487. Bibcode : 1969SSASJ..33..483R. doi : 10.2136/sssaj1969.03615995003300040005x.
7. McKinnon, William B. (2006). «О конвекции в ледяных оболочках I внешних тел Солнечной системы, с подробным применением к Каллисто». Icarus . 183 (2): 435–450. Bibcode :2006Icar..183..435M. doi :10.1016/j.icarus.2006.03.004.
8. Эксперимент по конвекции - GCSE Physics, архивировано из оригинала 2021-12-11 , извлечено 2021-05-11
9. Эксперимент по конвекции, архивировано из оригинала 2021-12-11 , извлечено 2021-05-11
10. Convection Current Lab Demo, архивировано из оригинала 2021-12-11 , извлечено 2021-05-11
11. Красочные конвекционные потоки - Больная наука! #075, архивировано из оригинала 2021-12-11 , извлечено 2021-05-11
12. Конвекция в газах, архивировано из оригинала 2021-12-11 , извлечено 2021-05-11
13. Колли, AN; Бисанг, JM (2023). «Изучение влияния изменений концентрации и температуры на переходную естественную конвекцию при электроосаждении металлов: анализ методом конечного объема». Журнал электрохимического общества . 170 (8): 083505. Bibcode : 2023JElS..170h3505C. doi : 10.1149/1945-7111/acef62. S2CID  260857287.
14. Pidwirny, Michael (2008). "ГЛАВА 8: Введение в гидросферу (e). Процессы образования облаков". Физическая география. Архивировано из оригинала 2008-12-20 . Получено 01.01.2009 .
15. "Что такое муссон?". Штаб-квартира Национальной метеорологической службы Западного региона. Офис прогнозов Национальной метеорологической службы в Тусоне, Аризона . 2008. Архивировано из оригинала 23-06-2012 . Получено 08-03-2009 .
16. Хан, Дуглас Г.; Манабэ, Сюкуро (1975). «Роль гор в циркуляции муссонов в Южной Азии». Журнал атмосферных наук . 32 (8): 1515–1541. Bibcode : 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 04.07.2012 на Wayback Machine. Получено 24.10.2006.
18. JetStream: Онлайн-школа погоды (2008). Морской бриз. Архивировано 23 сентября 2006 г. в Национальной метеорологической службе Wayback Machine . Получено 24 октября 2006 г.
19. Фрай, Альберт Ирвин (1913). Карманная книга инженера-строителя: справочник для инженеров, подрядчиков. D. Van Nostrand Company. стр. 462. Получено 31 августа 2009 г.
20. Дэн, Йикне (2005). Древние китайские изобретения. Chinese International Press. С. 112–13. ISBN 978-7-5085-0837-5. Получено 18.06.2009 .
21. «Туман и слои - метеорологическая физическая основа» . 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 бурь: ураганы, политика и битва за глобальное потепление. Houghton Mifflin Harcourt. стр. 20. ISBN 978-0-15-101287-9. Получено 31 августа 2009 г.
23. Mogil, Michael H. (2007). Экстремальные погодные условия. Нью-Йорк: Black Dog & Leventhal Publisher. С. 210–211. ISBN 978-1-57912-743-5.
24. "A Severe Weather Primer: Questions and Answers about Thunderstorms". Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Национальная лаборатория сильных штормов. 2006-10-15. Архивировано из оригинала 2009-08-25 . Получено 2009-09-01 .
25. "пассаты". Глоссарий метеорологии . Американское метеорологическое общество. 2009. Архивировано из оригинала 2008-12-11 . Получено 2008-09-08 .
26. Глоссарий метеорологии (2009). Westerlies. Архивировано 22.06.2010 в Wayback Machine Американского метеорологического общества . Получено 15.04.2009.
27. Маттиас Томчак и Дж. Стюарт Годфри (2001). Региональная океанография: введение. Архивировано 14 сентября 2009 г. на Wayback Machine Маттиас Томчак, стр. 42. ISBN 81-7035-306-8 . Получено 06 мая 2009 г. 
28. Earthguide (2007). Урок 6: Разгадываем загадку Гольфстрима — о теплом течении, идущем на север. Архивировано 23 июля 2008 г. в Wayback Machine Калифорнийского университета в Сан-Диего. Получено 6 мая 2009 г.
29. Анджела Коллинг (2001). Циркуляция океана. Архивировано 2018-03-02 в Wayback Machine Butterworth-Heinemann, стр. 96. Получено 2009-05-07.
30. Национальная служба спутниковых данных и информации об окружающей среде (2009). Исследование Гольфстрима. Архивировано 03.05.2010 в Wayback Machine Университета штата Северная Каролина . Получено 06.05.2009.
31. Рассел, Рэнди. "Термохалинная циркуляция океана". Университетская корпорация атмосферных исследований. Архивировано из оригинала 2009-03-25 . Получено 2009-01-06 .
32. Behl, R. "Atlantic Ocean water masses". Калифорнийский государственный университет Лонг-Бич. Архивировано из оригинала 23 мая 2008 года . Получено 2009-01-06 .
33. Кобес, Рэнди; Кунстаттер, Габор (2002-12-16). "Мантийная конвекция". Физический факультет, Университет Виннипега. Архивировано из оригинала 2011-01-14 . Получено 2010-01-03 .
34. Конди, Кент С. (1997). Тектоника плит и эволюция земной коры (4-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. стр. 5. ISBN 978-0-7506-3386-4. Архивировано из оригинала 29.10.2013.
35. Блесс, Роберт С. (1996). Открытие космоса. University Science Books. стр. 310. ISBN 9780935702675.
36. Banaszek, J.; Jaluria, Y.; Kowalewski, TA; Rebow, M. (1999-10-01). "Полу-неявный анализ Fem естественной конвекции в замерзающей воде". Численный перенос тепла, часть A: приложения . 36 (5): 449–472. Bibcode :1999NHTA...36..449B. doi :10.1080/104077899274624. ISSN  1040-7782. S2CID  3740709.
37. "Вода - плотность, удельный вес и коэффициент теплового расширения". www.engineeringtoolbox.com . Получено 01.12.2018 .
38. Debenedetti, Pablo G.; Stanley, H. Eugene (июнь 2003 г.). "Supercooled and Glassy Water" (PDF) . Physics Today . Архивировано (PDF) из оригинала 2006-03-01 . Получено 1 декабря 2018 г. .
39. Giangi, Marilena; Stella, Fulvio; Kowalewski, Tomasz A. (декабрь 1999 г.). «Проблемы изменения фазы со свободной конвекцией: численное моделирование на фиксированной сетке». Computing and Visualization in Science . 2 (2–3): 123–130. CiteSeerX 10.1.1.31.9300 . doi :10.1007/s007910050034. ISSN  1432-9360. S2CID  3756976. 
40. Тонг, Вэй; Костер, Джин Н. (декабрь 1993 г.). «Естественная конвекция воды в прямоугольной полости, включая инверсию плотности». International Journal of Heat and Fluid Flow . 14 (4): 366–375. doi :10.1016/0142-727x(93)90010-k. ISSN  0142-727X.
41. Эзан, Мехмет Акиф; Калфа, Мустафа (октябрь 2016 г.). «Численное исследование переходного естественного конвективного теплообмена замерзающей воды в квадратной полости». Международный журнал по теплу и потокам 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». Nature . 479 (7374): 506–508. arXiv : 1107.1622 . Bibcode :2011Natur.479..506M. doi :10.1038/nature10586. ISSN  0028-0836. PMID  22113691. S2CID  1784703.
43. "Технические инновации подводных сил". Начальник военно-морских операций Подводного дивизиона. Архивировано из оригинала 27-01-2006 . Получено 12-03-2006 .
44. "Приложение C, Приложение к NR:IBO-05/023, Оценка радиоактивных отходов военно-морских реакторов, захороненных в комплексе по управлению радиоактивными отходами" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2012-02-04 . Получено 2006-03-12 .
45. Джонс, Эдвард Монро; Родерик, Шон С. (4 ноября 2014 г.). Тактика торпедных подводных лодок: американская история. Макфарланд. стр. 153. ISBN 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 ВМС США с баллистическими ракетами". Архивировано из оригинала 20 июля 2006 г. Получено 12 марта 2006 г.
48. "Функция только для участников, требуется регистрация". Архивировано из оригинала 2007-02-23 . Получено 2006-03-12 .
49. Дональд Л. Теркотт; Джеральд Шуберт. (2002). Геодинамика . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-66624-4.
50. Кейс, Уильям; Кроуфорд, Майкл; Вайганд, Бернхард (2004). Конвективный тепло- и массообмен, 4E . McGraw-Hill Professional. ISBN 978-0072990737.
51. W. McCabe J. Smith (1956). Unit Operations of Chemical Engineering . McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-044825-4.
52. Bennett (1962). Импульс, тепло и массопередача . McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-004667-2.

Внешние ссылки