Естественная конвекция

Естественная конвекция — это перенос тепла и массы в жидкости или газе, вызванный разностью плотностей, возникающей из-за температурных градиентов в среде. В отличие от вынужденной конвекции, где движение среды создаётся внешними силами (например, вентилятором), в естественной конвекции движение возникает само собой под действием силы тяжести.

Физическая основа естественной конвекции

При нагреве жидкость или газ расширяются, их плотность уменьшается, и такие «лёгкие» участки поднимаются вверх, а более холодные и плотные опускаются вниз. Это создаёт циркуляционные потоки, которые усиливают теплообмен.

Уравнения и критерии

Для количественной оценки естественной конвекции вводится несколько безразмерных чисел:

Число Грасгофа (Gr) — отношение силы тяжести, вызванной разностью плотностей, к силе вязкого трения:

$$ Gr = \frac{g \beta \Delta T L^3}{\nu^2} $$

где g — ускорение свободного падения, β — коэффициент температурного расширения, ΔT — разность температур, L — характерный размер, ν — кинематическая вязкость.

Число Прандтля (Pr) — отношение кинематической вязкости к теплопроводности, определяет свойства среды.
Число Рейнольдса (Re) для естественной конвекции определяется через число Грасгофа и Прандтля:

$$ Re = \sqrt{Gr} $$

Число Нуссельта (Nu) — безразмерный коэффициент теплоотдачи, характеризует интенсивность теплообмена.

Типы естественной конвекции

Вертикальная естественная конвекция — поток жидкости вдоль вертикальных поверхностей (например, стенок нагретого радиатора).
Горизонтальная естественная конвекция — движение жидкости вдоль горизонтальных поверхностей с разной температурой.
Конвекция в закрытых объёмах — циркуляция внутри сосудов, камер и др.

Особенности и применение

Естественная конвекция важна в природе (воздушные и водные течения), инженерии (охлаждение электроники, системы отопления), а также в метеорологии.

Она часто сопровождается сложными течениями и турбулентностью, что делает её моделирование и расчёт нетривиальными задачами.

Ключевые моменты по кипению, конденсации и естественной конвекции:

Кипение происходит при достижении температуры, когда давление насыщенного пара равно внешнему давлению.
Конденсация — обратный процесс, при котором пар переходит в жидкость с выделением тепла.
Естественная конвекция вызвана гравитационными силами и разностью плотностей в жидкости или газе при неравномерном нагреве.
В естественной конвекции важны безразмерные числа (Gr, Pr, Nu), описывающие соотношения сил и теплообмена.
Процессы кипения, конденсации и конвекции являются ключевыми для множества технологических и природных явлений.