Комбинированная принудительная и естественная конвекция - Википедия - Combined forced and natural convection

Комбинированная принудительная конвекция и естественная конвекция, или же смешанная конвекция, происходит, когда естественная конвекция и принудительная конвекция механизмы действуют вместе для передачи тепла. Это также определяется как ситуации, когда оба давление силы и жизнерадостный силы взаимодействуют.[1] Сколько каждая форма конвекция способствует теплопередаче, во многом определяется потоком, температура, геометрия, и ориентация. Природа жидкость также имеет большое значение, поскольку Число Грасгофа увеличивается в жидкости с увеличением температуры, но в какой-то момент достигает максимума в течение газ.[2]

Характеристика

Для задач смешанной конвекции характерны Число Грасгофа (для естественной конвекции) и Число Рейнольдса (для принудительной конвекции). Относительное влияние плавучести на смешанную конвекцию можно выразить через Число Ричардсона:

Соответствующие масштабы длины для каждого безразмерного числа должны выбираться в зависимости от задачи, например длина по вертикали для числа Грасгофа и горизонтальная шкала для числа Рейнольдса. Малые числа Ричардсона характеризуют течение, в котором преобладает вынужденная конвекция. Числа Ричардсона выше, чем указывают на то, что проблема потока - это чистая естественная конвекция и влиянием принудительной конвекции можно пренебречь.[3]

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

Случаи

Из-за широкого ассортимента переменные, опубликованы сотни статей за эксперименты с участием различных типов жидкостей и геометрических форм. Из-за этого разнообразия сложно получить исчерпывающую корреляцию, а если и бывает, то обычно в очень ограниченных случаях.[2] Однако комбинированную принудительную и естественную конвекцию в целом можно описать одним из трех способов.

Двумерная смешанная конвекция с вспомогательным потоком

В первом случае естественная конвекция способствует принудительной конвекции. Это видно, когда подъемное движение происходит в том же направлении, что и вынужденное движение, таким образом ускоряя пограничный слой и улучшая теплопередачу.[5] Однако переход к турбулентности может быть отложен.[6] Примером этого может быть вентилятор, дующий вверх на горячей плите. Поскольку тепло естественным образом поднимается, воздух, нагнетаемый вверх над пластиной, способствует теплопередаче.

Двумерная смешанная конвекция с встречным потоком

Второй случай, когда естественная конвекция действует противоположно принудительной конвекции. Представьте, что вентилятор нагнетает воздух вверх над холодной пластиной.[5] В этом случае выталкивающая сила холодного воздуха естественным образом заставляет его падать, но выталкиваемый вверх воздух препятствует этому естественному движению. В зависимости от числа Ричардсона пограничный слой на холодной пластине показывает меньшую скорость, чем набегающий поток, или даже ускоряется в противоположном направлении. Таким образом, этот второй случай смешанной конвекции испытывает сильный сдвиг в пограничном слое и быстро переходит в состояние турбулентного потока.

Трехмерная смешанная конвекция

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

Расчет полной теплопередачи

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

может описывать усредненную по площади теплопередачу.[7]

Приложения

Комбинированная принудительная и естественная конвекция часто наблюдается в устройствах с очень высокой выходной мощностью, где принудительной конвекции недостаточно для рассеивания всего необходимого тепла. На этом этапе сочетание естественной конвекции с принудительной конвекцией часто дает желаемые результаты. Примерами этих процессов являются технология ядерных реакторов и некоторые аспекты электронного охлаждения.[2]

Рекомендации

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