대류

대류란 물질의 특성 이질성과 유체, 가장 일반적으로 밀도와 중력(부력 참조)에 대한 체력의 조합으로 인해 자연적으로 발생하는 단일 또는 다상 유체 흐름입니다.대류의 원인이 특정되지 않은 경우 열팽창 및 부력의 영향으로 인한 대류를 가정할 수 있다.대류는 입자가 흐를 수 있는 부드러운 고체나 혼합물에서도 발생할 수 있습니다.

대류 흐름은 일시적일 수 있습니다(예: 오일과 물의 다상 혼합물이 분리되는 경우). 또는 정상 상태(대류 셀 참조).대류는 중력, 전자기력 또는 가상의 물체에 의한 힘일 수 있다.자연 대류에 의한 열 전달은 지구의 대기, 해양, 맨틀의 구조에 영향을 미친다.대기의 개별 대류 세포는 구름으로 식별될 수 있으며, 대류가 강하면 뇌우가 발생한다.자연 대류는 또한 항성 물리학에서 중요한 역할을 한다.대류는 종종 대류 흐름을 일으키는 주효과로 분류되거나 설명된다.열대류.

대량 전류 흐름이나 물질의 상당한 확산이 일어나지 않기 때문에 대부분의 고체에서는 대류가 일어날 수 없습니다.

용어.

대류라는 단어는 과학이나 엔지니어링의 맥락이나 용도에 따라 다르지만 관련된 용도가 있습니다.대류란 밀도(또는 다른 특성) ^[1][2]차이에 의해 구동되는 유체의 움직임을 가리키는 유체역학에서 넓은 의미입니다.

열역학에서 "컨벡션"은 종종 대류에 의한 열 전달을 의미하며, 이 기사에서 다루는 유체 역학 개념인 "컨벡션"과 대류 ^[3]열 전달을 구별하기 위해 접두사 변형인 "자연 대류"가 사용됩니다.

대류 셀과 표면적으로 유사한 효과를 가져오는 일부 현상은 (정확하게) 대류의 한 형태(예: 열 모세관 대류 및 입상 대류)라고도 할 수 있다.

메커니즘

대류는 원자 몇 개보다 큰 모든 규모의 유체에서 발생할 수 있다.대류에 필요한 힘이 발생하여 아래에서 설명하는 다양한 유형의 대류를 일으키는 다양한 상황이 있습니다.대체로 대류는 중력과 같은 유체 내에서 작용하는 물체의 힘 때문에 발생합니다.

자연 대류

자연 대류는 물과 같은 액체나 공기와 같은 기체의 흐름의 한 종류로, 유체 운동은 외부 소스(펌프, 팬, 흡입 장치 등)에 의해 발생하는 것이 아니라 유체의 일부 부분이 다른 부분보다 무거워짐으로써 발생합니다.대부분의 경우 이는 자연순환, 시스템 내 유체가 지속적으로 순환하는 능력, 중력과 열 에너지의 가능한 변화로 이어집니다.자연 대류의 원동력은 중력이다.예를 들어, 뜨겁고 밀도가 낮은 공기 위에 차가운 밀도가 높은 공기층이 있다면, 중력은 위에 있는 밀도가 높은 층을 더 강하게 끌어당기 때문에, 밀도가 낮은 뜨거운 공기가 그 자리를 차지하기 위해 상승하는 동안 떨어집니다.그러면 순환 흐름(대류)이 생성됩니다.그것은 중력에 의존하기 때문에, 궤도를 도는 국제 우주 정거장과 같은 자유 낙하(관성) 환경에서는 대류가 일어나지 않습니다.자연 대류는 물과 공기가 가열되면서 밀도가 낮아지기 때문에 공기나 물의 뜨겁고 차가운 영역이 있을 때 발생할 수 있습니다.하지만, 예를 들어, 세계의 바다에서 그것은 또한 민물보다 무거운 소금물 때문에 발생하므로, 더 신선한 물의 층 위에 소금물 층이 또한 대류를 일으킬 것입니다.

자연 대류는 자연과 공학 분야 모두에서 존재하기 때문에 연구자들의 많은 관심을 끌어왔습니다.자연에서, 햇빛이 따뜻한 땅이나 물 위로 솟아오른 공기로부터 형성된 대류 전지는 모든 기상 시스템의 주요 특징입니다.대류는 또한 불, 판구조론, 해류(열모할린 순환) 및 해풍 형성(코리올리 힘에 의해 상향 대류가 변경됨)에서 나타납니다.공학적 응용에서 대류는 용해된 금속을 냉각하는 동안 미세 구조의 형성에 일반적으로 시각화되며, 유체는 덮인 방열 핀과 태양 연못을 따라 흐릅니다.자연 대류의 매우 일반적인 산업 용도는 팬의 도움 없이 자유로운 공기 냉각입니다. 이는 대규모 프로세스 장비에 대한 소규모(컴퓨터 칩)에서 발생할 수 있습니다.

자연 대류는 두 유체 사이의 밀도 변화가 더 크고, 대류를 주도하는 중력에 의한 가속도가 더 크거나, 대류 매체를 통과하는 거리가 더 멀어질수록 더 빠르고 가능성이 높아집니다.자연 대류는 빠른 확산(따라서 대류를 일으키는 열 구배를 분산시킴으로써) 또는 점성이 높은(점착성) 유체로 인해 발생 가능성이 낮고 속도가 느려집니다.

자연 대류의 시작은 레일리 수(Ra)로 확인할 수 있습니다.

유체 내 부력의 차이는 온도 변화 이외의 이유로 발생할 수 있으며, 이 경우 유체 운동을 중력 대류라고 합니다(아래 참조).그러나 자연 대류를 포함한 모든 유형의 부력 대류가 미소 중력 환경에서 발생하는 것은 아니다.모두 g-force(적절한 가속)가 발생하는 환경이 필요합니다.

유체 내 밀도의 차이가 주요 구동 메커니즘입니다.밀도의 차이가 열에 의한 것이라면, 이 힘을 「열 헤드」또는 「열 구동 헤드」라고 부릅니다.자연 순환을 위해 설계된 유체 시스템에는 열원과 히트 싱크가 있습니다.이들 각각은 시스템 내 일부 오일과 접촉하지만 전부는 아닙니다.열원이 히트 싱크보다 낮게 배치되어 있다.

일반적인 온도에서 유체인 대부분의 물질은 가열되면 팽창하여 밀도가 낮아집니다.따라서 냉각되면 밀도가 높아집니다.자연순환계의 열원에서는 가열된 유체가 주위의 유체보다 가벼워져 상승한다.히트 싱크에서는, 근처의 유체는 냉각에 따라 밀도가 높아지고, 중력에 의해 아래로 빨려 내려갑니다.이러한 효과는 모두 열원에서 히트 싱크로, 그리고 다시 히트 싱크로 유체의 흐름을 만듭니다.

중력 또는 부력 대류

중력 대류는 온도 이외의 물질 특성으로 인한 부력 변화에 의해 유발되는 자연 대류의 한 종류입니다.일반적으로 이는 유체의 다양한 성분으로 인해 발생합니다.다양한 특성이 농도 구배인 경우, 이를 용융 ^[4]대류라고 합니다.예를 들어,^[5] 중력 대류는 식염수 속의 담수의 부력에 의해 건조한 소금 소스가 젖은 토양으로 아래쪽으로 확산되는 것을 볼 수 있다.

물의 염도 가변과 공기 질량의 수분 함량은 열을 포함하지 않는 해양과 대기의 대류 또는 열팽창에 따른 밀도 변화 이외의 추가적인 구성 밀도 인자를 수반하는 빈번한 원인이다(열염 순환 참조).마찬가지로, 아직 최대의 안정성과 최소한의 에너지(즉, 가장 밀도가 높은 부분)를 달성하지 못한 지구 내부에서의 가변 구성은 계속해서 지구 내부(아래 참조)에서 유체 암석과 용융 금속의 대류를 일으킨다.

자연 열 대류와 마찬가지로 중력 대류도 발생하려면 g-force 환경이 필요합니다.

얼음 속 고체 대류

명왕성의 얼음 대류는 질소 얼음과 일산화탄소 얼음의 부드러운 혼합에서 일어나는 것으로 여겨진다.그것은 또한 ^[6]유로파와 태양계 ^[7]밖의 다른 천체들을 위해 제안되었다.

열자기 대류

열자성 대류는 자성 유체에 외부 자기장이 가해질 때 발생할 수 있습니다.온도 구배가 존재할 경우, 이는 불균일한 자성체의 힘을 발생시켜 유체 이동을 유도합니다.자성유체는 자기장의 존재 하에서 강하게 자화되는 액체이다.

연소

무중력 환경에서는 부력이 존재할 수 없기 때문에 대류가 불가능하기 때문에 많은 상황에서 중력이 없는 불꽃은 자체 폐기 가스에서 질식합니다.열팽창 및 화학반응으로 팽창 및 수축 가스가 생성되면 폐가스가 시원하고 신선한 산소가 풍부한 가스에 의해 대체되기 때문에 가 화염의 환기를 가능하게 합니다.는 화염 배출수가 응축될 때 생성되는 저압대를 차지하기 위해 이동합니다.

예와 응용 프로그램

자연순환시스템에는 토네이도 및 기타 기상시스템, 해류, 가정환기가 포함된다.일부 태양열 온수기는 자연 순환을 이용한다.걸프류는 물의 증발로 순환한다.이 과정에서 물의 염도와 밀도가 높아진다.북대서양에서는 물이 너무 조밀해져 가라앉기 시작한다.

대류는 대기, 해양, 행성 맨틀에서 대규모로 일어나며, 태양과 모든 별의 가장 바깥쪽에 있는 많은 부분에 열 전달 메커니즘을 제공합니다.대류 중의 유체 이동은 눈에 보이지 않게 느릴 수도 있고 허리케인과 같이 명백하고 빠르게 진행될 수도 있습니다.천문학적 규모에서 가스와 먼지의 대류는 블랙홀의 부착 원반에서 빛의 속도에 근접할 수 있는 속도로 일어나는 것으로 생각됩니다.

데모 실험

액체의 열 대류는 액체가 있는 용기의 측면에 열원(예: 분젠 버너)을 배치함으로써 입증할 수 있습니다.물에 염료(식품 착색제 등)를 첨가하면 ^[8][9]흐름을 시각화할 수 있다.

액체에서 열 대류를 증명하기 위한 또 다른 일반적인 실험은 중간 온도에서 염료로 착색된 뜨거운 액체와 차가운 액체가 담긴 용기를 염료 없이 같은 액체의 큰 용기에 담그는 것이다(예: 뜨거운 수돗물 병 빨간색, 냉장고에서 파란색으로 냉각된 물 병).(상온에서 ^[10]물의 흐름)

세 번째 방법은 동일한 두 개의 병을 사용하는 것입니다. 하나는 한 색상으로 염색된 뜨거운 물로 채워지고 다른 색상으로 염색된 차가운 물로 채워집니다.그런 다음 한 병을 임시로 밀봉하고(예: 카드 조각으로), 뒤집어서 다른 병 위에 놓습니다.카드를 분리할 때 온열액이 담긴 병을 위에 올려놓으면 대류가 발생하지 않습니다.차가운 액체가 담긴 병을 위에 올려놓으면 자연 ^[11]대류가 발생합니다.

가스 대류는 흡입구와 배기구가 있는 밀폐된 공간에서 촛불을 사용하여 시연할 수 있습니다.촛불의 열로 인해 강한 대류 전류가 발생하며, 다른 촛불의 연기와 같은 흐름 표시기가 입구 ^[12]및 배기 영역 근처에서 각각 방출됩니다.

이중 확산 대류

이중 확산 대류

대류 전지

Bénard 셀이라고도 알려진 대류 셀은 많은 대류 시스템에서 특징적인 유체 흐름 패턴입니다.상승하는 유체체는 일반적으로 차가운 표면과 마주치기 때문에 열을 잃습니다.액체에서 이는 직접 교환을 통해 차가운 액체와 열을 교환하기 때문에 발생합니다.지구 대기의 예에서, 이것은 열을 방출하기 때문에 발생한다.이 열 손실 때문에 유체는 여전히 상승하고 있는 그 아래의 유체보다 밀도가 높아집니다.솟아오르는 유체를 통해 내려갈 수 없기 때문에 한쪽으로 이동한다.어느 정도 거리를 두고, 그 아래쪽에 있는 상승력을 이겨내고, 유체가 하강하기 시작합니다.하강하면서 다시 따뜻해지고 사이클이 반복됩니다.

대기 대류

대기 순환

대기 순환은 공기의 대규모 이동이며, 훨씬 느린(지연된) 해양 순환 시스템과 함께 지구 표면에 열에너지가 분배되는 수단입니다.대기 순환의 대규모 구조는 해마다 다르지만, 기본적인 기후 구조는 상당히 일정하다.

위도 순환은 단위 면적당 입사 일사량이 열적도에서 가장 높기 때문에 발생하며 위도가 증가함에 따라 감소하여 극지방에서 최소치에 도달한다.해들리 셀과 극 소용돌이 두 개의 1차 대류 셀로 구성되어 있으며, 해들리 셀은 구름 형성 중 높은 고도에서 수증기의 응축에 의한 잠열 에너지의 방출로 인해 더 강한 대류를 경험합니다.

반면, 세로 순환은 바다가 육지보다 높은 비열 용량을 가지고 있기 때문에 일어난다(그리고 열 전도율도 높기 때문에). 따라서 더 많은 열을 흡수하고 방출하지만, 온도는 육지보다 덜 변한다.이것은 바닷바람, 즉 물에 의해 냉각된 공기를 낮에 해안으로 가져가고, 밤에 땅과 접촉하여 냉각된 공기를 바다로 운반한다.종방향 순환은 워커 순환과 엘니뇨/남방 진동이라는 두 개의 셀로 구성됩니다.

날씨

지구 대기의 움직임보다 국지적인 현상도 바람과 수문 순환의 일부를 포함한 대류 때문이다.예를 들어, hn풍은 산맥의 바람이 부는 쪽에서 발생하는 하향 바람이다.그것은 대부분의 수분을 바람 부는 ^[13]경사면에 떨어뜨린 공기의 단열 온난화에 기인한다.습기와 건조한 공기의 단열 감률이 다르기 때문에 바람 부는 경사면의 공기는 바람 부는 경사면의 같은 높이에서보다 따뜻해집니다.

열 기둥(또는 열)은 지구 대기의 낮은 고도에서 상승하는 공기의 수직 단면입니다.열은 태양 복사로 인한 지구 표면의 불균일한 가열에 의해 만들어진다.태양은 대지를 따뜻하게 하고, 대기는 태양 바로 위의 공기를 따뜻하게 한다.따뜻한 공기가 팽창하여 주변 공기량보다 밀도가 낮아지고 열량이 ^[14][15]낮아집니다.가벼운 공기의 덩어리는 상승하고, 상승하면서 낮은 기압에서 팽창하여 냉각됩니다.주변 공기와 같은 온도로 냉각되면 상승이 멈춘다.열과 관련된 것은 열 칼럼을 둘러싼 하향 흐름입니다.아래쪽으로 이동하는 외관은 열 상단에서 차가운 공기가 이동하기 때문에 발생합니다.대류를 일으키는 또 다른 기상 영향은 바닷바람이다.^[16][17]

따뜻한 공기는 차가운 공기보다 밀도가 낮기 때문에 따뜻한 공기는 열기구와 ^[19]비슷하게 차가운 ^[18]공기 안에서 상승합니다.구름은 수분을 운반하는 비교적 따뜻한 공기가 차가운 공기 안에서 상승하면서 형성됩니다.습한 공기가 상승하면, 공기가 차가워져 상승하는 공기 패킷의 수증기 일부가 ^[20]응축됩니다.수분이 응축되면, 그것은 상승하는 공기 덩어리가 주변 ^[21]공기보다 덜 식도록 하는 응축의 잠열로 알려진 에너지를 방출하여 구름의 상승을 계속합니다.대기 중에 불안정성이 충분히 존재한다면, 이 과정은 번개와 천둥을 지탱하는 적란운이 형성될 때까지 충분히 지속될 것이다.일반적으로, 뇌우는 세 가지 조건을 필요로 합니다: 습기, 불안정한 기단, 그리고 상승력(열)입니다.

모든 뇌우는 종류에 관계없이 발달 단계, 성숙 단계, 소멸 단계의 ^[22]세 단계를 거친다.평균적인 뇌우의 지름은 24km이다.대기 상태에 따라 이 세 단계를 통과하는 ^[23]데 평균 30분이 걸립니다.

해양 순환

태양 복사는 바다에 영향을 미친다: 차가운 극지방의 물이 적도로 향하는 반면, 적도로부터 온 물은 극지방으로 순환하는 경향이 있다.표면 전류는 처음에 표면 바람 조건에 의해 결정된다.무역풍은 ^[24]열대지방에서 서쪽으로 불고 편서풍은 ^[25]중위도에서 동쪽으로 분다.이 바람 패턴은 북반구에 ^[26]걸쳐 음의 컬이 있는 아열대 해양 표면에 스트레스를 가하고 남반구에 걸쳐 음의 컬을 가한다.그 결과 Sverdrup 전송은 적도 방향으로 이루어집니다.^[27]아열대 능선의 서쪽 주변부에서 극방향으로 움직이는 바람과 극방향으로 이동하는 물의 상대적 소용돌이 증가에 의해 야기되는 잠재적 소용돌이성의 보존 때문에, 수송은 좁고 가속하는 극방향 전류에 의해 균형을 이루며, 해양 유역의 서쪽 경계를 따라 흐른다, 마찰의 영향을 능가한다.고위도에서 ^[28]발생하는 차가운 서쪽 경계 해류의 이온.서쪽의 강화로 알려진 전반적인 과정은 해양 분지의 서쪽 경계에 있는 해류가 동쪽 ^[29]경계에 있는 해류보다 더 강하도록 만든다.

극지방으로 이동하면서, 강한 온수에 의해 운반되는 온수는 증발 냉각을 거칩니다.냉각은 바람에 의해 구동됩니다.물 위를 이동하는 바람은 물을 냉각시키고 증발을 일으켜 염분을 더 많이 남깁니다.이 과정에서 물은 더 짜고 밀도가 높아지며 온도가 낮아진다.일단 해빙이 형성되면, 소금물은 ^[30]얼음에서 제외되는 것으로 알려진 과정이다.이 두 가지 과정은 더 밀도가 높고 차가운 물을 생산한다.북대서양을 가로지르는 물은 너무 조밀해져서 덜 짜고 덜 조밀한 물을 통해 가라앉기 시작한다.(이 외양 대류는 용암 램프의 그것과 다르지 않습니다.무겁고, 차갑고, 밀도가 높은 물의 하류는 남향의 ^[31]하천인 북대서양 심층수의 일부가 된다.

맨틀 대류

맨틀 대류는 지구 내부에서 ^[32]지표로 열을 운반하는 대류류에 의해 일어나는 지구의 암석 맨틀의 느린 포복 운동이다.그것은 지각판을 지구 ^[33]표면 주위로 움직이게 하는 세 가지 원동력 중 하나이다.

지구 표면은 반대쪽 판 경계에서 지속적으로 생성되고 소비되는 많은 지각판으로 나뉘어 있다.판의 성장 가장자리에 맨틀이 추가되면서 생성(축적)이 발생합니다.이 고온 첨가 물질은 열의 전도 및 대류에 의해 냉각됩니다.플레이트의 소비 가장자리에서는 열수축되어 밀도가 높아지며, 해구에서의 침강 과정에서 자중으로 가라앉는다.이 잠수 물질은 지구 내부의 어느 정도 깊이까지 가라앉아 더 이상 가라앉는 것이 금지된다.해저 지각이 화산 활동을 일으킨다.

지구 맨틀 내부의 대류는 판구조론의 원동력이다.맨틀 대류는 열 구배에 의한 결과입니다. 하부 맨틀은 상부 맨틀보다 뜨겁기 때문에 밀도가 낮습니다.여기에는 주로 두 가지 유형의 불안정성이 설정됩니다.첫 번째 유형에서는 깃털이 맨틀 하부로부터 올라오고 그에 상응하는 불안정한 암석권 영역이 맨틀로 다시 떨어집니다.두 번째 유형에서는 전도성 해양 플레이트(대부분 맨틀의 상층 열 경계층을 구성)가 맨틀 안으로 다시 들어가 코어-맨틀 경계를 향해 아래로 이동한다.맨틀 대류는 매년 센티미터의 비율로 일어나며, 대류의 순환을 완료하는 데 수억 년이 걸린다.

지구핵으로부터의 중성미자 플럭스 측정(캠랜드 참조)은 내부핵의 약 3분의 2 열원이 K, 우라늄 및 토륨의 방사성 붕괴임을 보여준다.이것은 지구의 판구조론이 단순히 지구의 형성으로부터 남은 열에 의해 움직인다면, 또는 지구 내부의 밀도가 높은 부분의 물리적인 재배열의 결과로 중력 퍼텐셜 에너지로부터 생성된 열로 인해 지구의 판구조론이 훨씬 더 오래 지속될 수 있게 해 주었다.d 하강 및 침하).

스택 효과

스택 효과 또는 굴뚝 효과는 부력에 의한 건물, 굴뚝, 연도 가스 스택 또는 기타 컨테이너의 공기 이동입니다.부력은 온도와 습도 차이로 인한 실내와 실외 공기 밀도의 차이로 발생합니다.구조물의 열차와 높이가 클수록 부력이 커지기 때문에 스택 효과가 커집니다.스택 효과는 자연 환기 및 침투를 유도하는 데 도움이 됩니다.일부 냉각탑은 이 원리로 작동하며, 마찬가지로 태양 상승기류탑은 스택 효과를 기반으로 전기를 생성하기 위해 제안된 장치입니다.

항성 물리학

별의 대류대는 주로 대류를 통해 에너지가 전달되는 반지름의 범위이다.

태양 광구의 과립은 광구의 플라즈마 대류에 의해 발생하는 광구의 대류 셀의 눈에 보이는 꼭대기이다.과립의 솟아오른 부분은 혈장이 더 뜨거운 중심에 있습니다.과립의 바깥쪽 가장자리는 더 차가운 하강 플라즈마 때문에 더 어둡습니다.일반적인 과립은 지름이 약 1,000 킬로미터이고 각각 8분에서 20분 동안 지속되며 소멸됩니다.광구 아래에는 지름이 30,000 킬로미터에 이르는 훨씬 더 큰 "슈퍼 과립" 층이 있으며, 수명은 최대 24시간입니다.

빙점 온도에서의 물 대류

물은 Bousinesq ^[34]근사치를 따르지 않는 유체이다.이는 밀도가 온도에 따라 비선형적으로 변화하기 때문에 동절기 ^[35][36]부근에서 열팽창계수가 일정하지 않기 때문입니다.물의 밀도는 4°C에서 최대치에 도달하고 온도가 벗어날수록 감소합니다.이 현상은 실험과 수치적 ^[34]방법으로 조사된다.물은 처음에 정사각형 캐비티 내에서 10°C로 고여 있습니다.두 개의 수직 벽 사이에서 차동 가열되며, 왼쪽 벽과 오른쪽 벽은 각각 10°C와 0°C로 고정됩니다.밀도 이상은 흐름 ^{[34][37][38][39]}패턴으로 나타납니다.오른쪽 벽에서 물이 식으면 밀도가 높아져 아래로 흘러내리는 속도가 빨라집니다.흐름이 발달하고 물이 더 차가워지면 밀도가 감소하여 캐비티 오른쪽 하단 모서리에 재순환 전류가 발생합니다.

이 현상의 또 다른 예는 물이 빙점 이하로 냉각되지만 즉시 ^[36][40]얼기 시작하지 않는 과냉각 현상이다.이전과 같은 조건하에서 플로우가 전개된다.그 후 우측 벽의 온도를 -10°C로 낮춘다.이로 인해 벽면의 물이 과냉각되어 시계 반대 방향으로 흐르게 되고 처음에는 ^[34]난류가 과다하게 됩니다.이 플룸은 ^[34][36][40]얼음의 핵 형성이 지연되어 발생합니다.일단 얼음이 형성되기 시작하면, 흐름은 이전과 비슷한 패턴으로 돌아가며,^[34] 흐름이 재개발될 때까지 응고 상태가 서서히 전파됩니다.

원자로

원자로에서 자연순환은 설계기준이 될 수 있다.오일 흐름의 난류 및 마찰을 줄이고(즉, 헤드 손실을 최소화), 오일 경로에서 작동하지 않는 펌프를 제거하는 방법을 제공함으로써 이를 달성할 수 있습니다.또한 원자로(열원으로서)는 증기 발생기 또는 터빈(열제거원)보다 물리적으로 낮아야 한다.이와 같이 자연순환을 통해 원자로가 히트싱크보다 뜨거운 한 펌프로 전원을 공급할 수 없는 경우에도 유체가 계속 흐를 수 있다.주목할 만한 예로는 자연순환 상태에서 최대출력의 상당한 비율로 작동하도록 설계된 S5G와 S8G[44]^[45][46] 미 해군 원자로가 있다.S6G 원자로는 자연순환 상태에서는 동력으로 가동할 수 없지만 정지 중에도 비상 냉각을 유지할 수 있다.

자연순환의 특성상 유체는 일반적으로 매우 빠르게 이동하지 않지만, 높은 유속이 안전하고 효과적인 원자로 운영에 필수적인 것은 아니기 때문에 반드시 나쁜 것은 아니다.현대 설계 원자로에서 흐름 반전은 거의 불가능하다.모든 원자로, 심지어 주로 자연순환을 유체순환의 주요 방법으로 사용하도록 설계된 원자로도 자연순환이 충분하지 않은 경우에 유체를 순환시킬 수 있는 펌프를 가지고 있다.

대류의 수학적 모델

무차원 권한에 대한 번호와 예측하 대류를 설명할 때 아르키메데스의 수, 그라스 호프 수, 리차드슨 수, 레일리 수 등 조정 방안을 도출해 왔다.

혼합 대류의 경우 한(그리고 발생하는 함께 강제로 자연)종종 어떻게 대류의 많은 부분이 펌프의 유속과 같은 외적 제약 조건,, 그리고 얼마나 많은 자연 대류 시스템에서 발생하는 때문에 때문이기도 하다 알고 싶습니다.

는 그라스 호프 수의 상대적 크기와 레이놀즈 수의 제곱 양쪽 모두는 대류며 어떤 형태의.만약 Gr/Re2≫ 1{\displaystyle{\rm{Gr/Re^{2}\gg 1}}}, 강제 대류도 모를 무시했다는지만 Gr/Re2≪ 1{\displaystyle{\rm{Gr/Re^{2}\ll 1}}}, 자연 대류 될 수 있지.만약 그 비율, 리차드슨 수로 알려져 있는데 약 1둘 다와 자연 대류 고려되어야 하라고 강요했다.

개시

자연 대류의 시작은 레일리 수(Ra)에 의해 결정된다.이 무차 원수에 의해서 주어진다.

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

어디에

• 밀도의 물질의 혼합은 2개 소포 사이에Δ ρ{\displaystyle \Delta \rho} 다른 점이 있다.
• G{\displaystyle g}은 지역의 중력 가속도.
• 대류의 예를 들어 나는{L\displaystyle}특유 length-scale: 끓는 냄비의 깊이.
• $(\displaystyle$ D$)$는 대류를 일으키는 특성의 확산도입니다.
• μ$(\displaystyle \mu)$는 동적 점도입니다.

자연 대류는 두 유체 사이의 밀도 변화, 대류를 구동하는 중력에 의한 가속 및/또는 대류 매체를 통한 거리가 더 커짐에 따라 더 가능성이 높거나 더 빠를 것이다.대류는 빠른 확산(따라서 대류를 일으키는 경사도를 분산시킴으로써) 및/또는 점성이 높은(점착성) 유체로 인해 발생 가능성이 낮아지거나 속도가 느려집니다.

아래로부터의 가열에 의한 열대류에 대해서는 위의 비등솥에서 설명한 바와 같이 열팽창과 열확산도를 고려하여 방정식을 수정한다.열팽창에 의한 밀도 변화는 다음과 같습니다.

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

어디에

• $0$ ( \$displaystyle$ \$rho$_ { 0 } )는 기준 밀도이며, 일반적으로 매체의 평균 밀도로 선택됩니다.
• β$(\displaystyle\displaystyle)$는 열팽창 계수입니다.
• $T$\ $displaystyle$ \ $Delta$T는 매체 전체의 온도차이다.

일반 확산도 $(\displaystyle$ D)는 열 확산도α$(\display\alpha$로 재정의됩니다.

${\displaystyle D=\alpha}$

이러한 치환을 삽입하면 열 ^[47]대류를 예측하는 데 사용할 수 있는 Rayleigh 값이 생성됩니다.

$({displaystyle {textbf {Ra}}=harc frac {rho _ {0}g\flac \delta TL^ {3}}{\alpha \mu }})$

난기류

난류를 향한 특정 자연 대류 시스템의 경향은 Grashof 수(Gr)^[48]에 의존한다.

${\displaystyle Gr=sqfrac {g\delta TL^{3}}{\nu ^{2}}}}$

매우 끈적끈적한 점성 유체(큰 δ)에서는 유체 움직임이 제한되고 자연 대류가 불안정하지 않습니다.

이전 서브섹션의 처리에 따라 일반적인 유체 속도는 시스템의 형상에 따라 최대 수치 계수까지 gΩ l L2 /μ {\$displaystyle g\$Delta \$rho$ L$^{2$}/\$mu$의 순서로 됩니다.따라서 그라쇼프 수는 레이놀즈 수식의 속도를 대체하는 자연 대류 속도를 갖는 레이놀즈 수라고 생각할 수 있다.그러나 실제로는 레이놀즈 수치를 참조할 때 강제 대류를 고려하는 것으로 이해되며, 속도는 외부 제약에 의해 지시된 속도로 간주된다(아래 참조).

행동

그라쇼프 수는 농도 구배(일명 열-용질 대류)로 인해 발생하는 자연 대류에 대해 공식화할 수 있습니다.이 경우 뜨거운 유체의 농도는 차가운 유체로 확산되는데, 이는 잉크가 물통에 쏟아지면서 공간 전체를 염색하는 것과 거의 같은 방식이다.그 후, 다음과 같이 입력합니다.

${\displaystyle Gr=blac {g\delta CL^{3}}{\nu ^{2}}}}$

자연 대류는 뜨거운 표면의 형상에 크게 의존하며, 열 전달 계수를 결정하기 위해 다양한 상관 관계가 존재합니다.다양한 기하학에 적용되는 일반적인 상관관계는 다음과 같습니다.

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

f(Pr) 값은 다음₄ 공식을 사용하여 계산됩니다.

${{displaystyle f_{4}(Pr)=\left[1+\left({\frac {.5}{Pr}}\오른쪽)^{\frac {9}}\right]^{\frac {-16}{9}}}}}$

Nu는 Nusselt 번호이며, Nu의₀ 값과 Ra 계산에 사용되는 고유 길이를 다음에 나타냅니다(토론 참조).

기하학.	특성 길이	누0
경사면	x(평면을 따른 거리)	0.68
경사 디스크	9D/11(D = 직경)	0.56
수직 실린더	x(원통 높이)	0.68
원뿔	4x/5(x = 경사면을 따른 거리)	0.54
수평 실린더	§D/ 2 ($Displaystyle$ \$pi D/$2)(D= 실린더 직경)	0.36† (\$displaystyle \pi$)

경고:수평 실린더에 표시된 값이 잘못되었습니다. 설명을 참조하십시오.

수직 플레이트로부터의 자연 대류

자연 대류의 한 예는 유체에 담근 등온 수직 플레이트로부터의 열 전달로 유체가 플레이트와 평행하게 움직이는 것입니다.이동 유체의 밀도가 위치에 따라 달라지는 모든 시스템에서 이러한 현상이 발생합니다.이러한 현상은 움직이는 유체가 강제 ^[49]대류의 영향을 최소화할 때만 중요합니다.

유체의 흐름이 가열의 결과라고 가정할 때, 유체가 이상적인 이원자이고 일정한 온도에서 수직 플레이트에 인접하며 유체의 흐름이 완전히 ^[50]층상이라고 가정할 때 다음과 같은 상관 관계를 사용할 수 있습니다.

Nu_m = 0.478(Gr^0.25)^[50]

평균 누셀트 수 = Nu_m = hL_m/k^[50]

어디에

• h_m = 플레이트 하단 가장자리와 거리 L의 임의의 지점 사이에 적용되는 평균 계수(W/m². K)
• L = 수직면 높이(m)
• k = 열전도율 (W/m. K)

그라쇼프 번호 = Gr = [ g L3 ( ts - t ) )] / $v$ 2 T { $displaystyle$[ $gL$^ {$3}$ ( $t$_ { $s$} - t$_$ { \ $infty$} } > / v$^$ {2}$T}$ ^[49][50]

어디에

• g = 중력 가속도(m/s²)
• L = 하단 모서리 위의 거리(m)
• t_s = 벽의 온도(K)
• tθ = 열경계층 외부의 유체 온도(K)
• v = 유체의 운동학적 점도(m²/s)
• T = 절대 온도(K)

흐름이 난류일 경우 레일리 번호(그래쇼프 수와 프란틀 번호 모두의 함수)와 관련된 다른 상관 관계를 ^[50]사용해야 합니다.

위의 방정식은 β$(\$$displaystyle$$\beta)$ 값이 이상적인 가스에만 적용되는 근사치1/$T$$외압$에서의 공기에 대한 합리적인 근사치)로 대체되었기 때문에 Grashof 숫자에 대한 일반적인 식과 다릅니다.

패턴 형성

대류, 특히 Rayleigh-Bénard 대류는 두 개의 단단한 수평 플레이트에 의해 대류 유체가 포함된 패턴 형성 시스템의 편리한 예입니다.

열이 한 방향(일반적으로 아래)에서 시스템으로 공급될 때 작은 값으로 유체의 흐름을 유발하지 않고 아래에서 위로 확산(전도)될 뿐입니다.열흐름이 증가함에 따라 레일리 수의 임계치를 초과하면 시스템은 안정도통 상태에서 대류 상태로 분기되며, 이 상태에서 열에 의한 유체의 벌크 운동이 시작된다.밀도 이외의 유체 파라미터가 온도에 크게 의존하지 않는 경우 흐름 프로파일은 대칭이며 유체의 부피는 하강할 때 상승합니다.이것은 Bousinesq 대류라고 알려져 있습니다.

유체의 상부와 하부의 온도차가 커지면 온도로 인해 유체에 밀도 이외의 유체 파라미터의 큰 차이가 발생할 수 있습니다.이러한 파라미터의 예로는 점도가 있는데, 점도는 유체 층에 따라 수평으로 크게 변화하기 시작할 수 있습니다.이로 인해 시스템의 대칭이 깨지고 일반적으로 위아래로 움직이는 유체의 패턴이 오른쪽과 같이 줄무늬에서 육각형으로 변경됩니다.이러한 육각형은 대류 전지의 한 예이다.

Rayleigh 수가 대류 셀이 처음 나타나는 값보다 훨씬 더 커짐에 따라 시스템은 다른 분기를 겪을 수 있으며 나선형 등의 다른 복잡한 패턴이 나타나기 시작할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

외부 링크