강제 대류 및 자연 대류 결합

Combined forced and natural convection

강제대류 및 자연대류, 즉 혼합대류는 자연대류 및 강제대류 메커니즘이 함께 작용하여 열을 전달할 때 발생한다. 이것은 또한 압력력과 부력력이 모두 상호작용하는 상황으로도 정의된다.[1] 대류의 각 형태가 열전달에 얼마나 기여하는가는 대체로 흐름, 온도, 기하학, 방향 등에 의해 결정된다. 유체의 성질도 영향을 미치는데, 그라쇼프 수는 온도가 올라갈수록 유체에서 증가하지만, 기체의 경우 어느 시점에 극대화되기 때문이다.[2]

특성화

혼합대류 문제는 그라쇼프 수(자연대류의 경우)와 레이놀즈 수(강제대류의 경우)로 특징지어진다. 혼합대류에 대한 부력의 상대적 효과는 리처드슨 번호를 통해 표현할 수 있다.

각 무차원 숫자에 대한 각각의 길이 척도는 문제에 따라 선택되어야 한다. 예를 들어, 그라쇼프 숫자에 대한 수직 길이와 레이놀즈 숫자에 대한 수평 눈금. 리차드슨의 작은 숫자는 강제 대류가 지배하는 흐름을 특징으로 한다. \mathrm {Ri} 약보다 높은 리차드슨 수치는 흐름 문제가 순수한 자연 대류이며 강제 대류의 영향을 무시할 수 있음을 나타낸다.[3]

자연대류처럼 혼합대류 흐름의 성질은 열전달에 크게 의존하며(부력은 구동 메커니즘의 하나이기 때문에) 난류 효과가 큰 역할을 한다.[4]

경우들

변수의 범위가 넓기 때문에 다양한 유형의 유체와 기하학적 구조를 포함하는 실험을 위한 수백 개의 논문이 발표되었다. 이 다양성은 포괄적인 상관관계를 얻기 어렵게 하며, 그것이 있을 때는 대개 매우 제한된 경우를 위한 것이다.[2] 그러나 강제 대류와 자연 대류의 결합은 일반적으로 세 가지 방법 중 하나로 설명할 수 있다.

보조유동을 갖는 2차원 혼합대류

첫 번째 경우는 자연 대류가 강제 대류를 돕는 경우다. 이것은 부력운동이 강제운동과 같은 방향일 때 나타나며, 따라서 경계층을 가속화하고 열 전달을 강화한다.[5] 그러나 난기류로의 전환은 늦어질 수 있다.[6] 이것의 예로는 뜨거운 접시에 바람을 불어넣는 선풍기가 있을 것이다. 열이 자연적으로 상승하기 때문에 플레이트 위로 밀려 올라가는 공기는 열 전달을 더한다.

2차원 혼합대류 및 역류

두 번째 경우는 자연대류가 강제대류와는 반대로 작용하는 경우다. 찬 접시 위로 공기를 밀어올리는 팬을 생각해 보십시오.[5] 이 경우 찬 공기의 부력력은 자연히 낙하하게 되지만, 억지로 위로 올라가는 공기는 이러한 자연적인 움직임에 반대한다. 리차드슨 수치에 따라 냉간판의 경계층은 자유천보다 속도가 낮거나 심지어 반대 방향에서 가속된다. 따라서 이 두 번째 혼합 대류 케이스는 경계층에서 강한 전단력을 경험하고 빠르게 난류 상태로 전환된다.

3차원 혼합대류

세 번째 경우를 3차원 혼합대류라고 한다. 이 흐름은 부력운동이 강제운동에 수직으로 작용했을 때 발생한다. 예를 들어 태양열 중앙수신기의 표면과 같이 수평 흐름이 있는 고온 수직 평판이다. 자유류가 부과된 방향을 따라 움직임을 지속하는 동안, 판의 경계층은 상승 방향으로 가속한다. 이 흐름의 경우 부력은 층류-대류 전환에 큰 역할을 하는 반면, 부과된 속도는 난류를 억제할 수 있다(층화).[4]

총 열전달 계산

강제 대류와 자연 대류에 대한 열 전달 계수를 단순히 추가하거나 빼면 혼합 대류에 대한 부정확한 결과가 나온다. 또한 열전달에 대한 부력의 영향이 자유천의 영향을 초과하기도 하므로 혼합대류는 순수 강제대류로 취급해서는 안 된다. 따라서 문제별 상관관계가 필요하다. 실험 데이터에 따르면

면적-배열 열 전달을 설명할 수 있다.[7]

적용들

강제 대류와 자연 대류의 결합은 강제 대류가 필요한 모든 열을 발산하기에 충분하지 않은 매우 높은 출력 출력 장치에서 흔히 볼 수 있다. 이 때 자연대류와 강제대류를 결합하면 종종 원하는 결과를 얻을 수 있다. 이러한 과정의 예로는 원자로 기술과 전자 냉각의 일부 측면이 있다.[2]

참조

  1. ^ Sun, Hua; Ru Li; Eric Chenier; Guy Lauriat (2012). "On the modeling of aiding mixed convection in vertical channels" (PDF). International Journal of Heat and Mass Transfer. 48 (7): 1125–1134. Bibcode:2012HMT....48.1125S. doi:10.1007/s00231-011-0964-8.
  2. ^ a b c Joye, Donald D.; Joseph P. Bushinsky; Paul E. Saylor (1989). "Mixed Convection Heat Transfer at High Grashof Number in a Vertical Tube". Industrial and Engineering Chemistry Research. 28 (12): 1899–1903. doi:10.1021/ie00096a025.
  3. ^ Sparrow, E.M.; Eichhorn, R.; Gregg, J.L. (1959). "Combined forced and free convection in a boundary layer flow". Physics of Fluids. 2 (3): 319–328. Bibcode:1959PhFl....2..319S. doi:10.1063/1.1705928.
  4. ^ a b Garbrecht, Oliver (August 23, 2017). "Large eddy simulation of three-dimensional mixed convection on a vertical plate" (PDF). RWTH Aachen University.
  5. ^ a b Cengal, Yunus A.; Afshin J. Ghajar (2007). Heat and Mass Transfer (4 ed.). McGraw-Hill. pp. 548–549. ISBN 978-0-07-339812-9.
  6. ^ Abedin, M.Z.; Tsuji, T.; Lee, J. (2012). "Effects of freestream on the characteristics of thermally-driven boundary layers along a heated vertical flat plate". International Journal of Heat and Fluid Flow. 36: 92–100. doi:10.1016/j.ijheatfluidflow.2012.03.003.
  7. ^ Siebers, D.L. (1983). Experimental mixed convection heat transfer from a large, vertical surface in a horizontal flow. Ph.D. thesis, Stanford University.