انتقال حرارت به روش همرفت
نوید احمدی
| دسته بندی:
شبیه سازی اجزای ساختمان
| تاریخ انتشار:
25 فروردین 1399
انتقال حرارت به روش همرفت
انتقال حرارت به روش همرفت مقدمه: زمانی که با شبیه سازی و آنالیز کردن مدل‌ها و سیستم‌هایی سر و کار داریم که در معرض تغیرات محیطی قرار دارند، داشتن دانش پایه ای از انتقال حرارت و ترمودینامیک، برای تحلیل نتایج شبیه سازی ها، درک عملکرد سیستم ها، تغییرات سطح انرژی آنها و همچنین راستی آزمایی نتایج شبیه سازی از اهمیت بالایی برخوردار می باشد. به همین دلیل در این قسمت فصد داریم تا شما را با یکی از متداول ترین راه های انتقال حرارت آشنا کنیم. در ادامه با تیم آپگرین گرید همراه باشید..
مکانیسم انتقال حرارت به روش همرفت
در انتقال حرارت به روش همرفت، مکانیسم انتقال انرژی علاوه بر حرکت تصادفی مولکولها (پخش)، متشکل از حرکت توده ای و یا ماکروسکوپیک خواهد بود. این نوع از حرکت سیال را می توان به صورت حرکت توده ای تعداد زیادی از مولکولهای آن توصیف کرد. چنین اتفاقی در حضور گرادیان دما، باعث انتقال حرارت می شود. به دلیل اینکه مولکول ها در داخل این توده، حرکت تصادفی خود را همچنان حفظ می کنند، انتقال حرارت کلی را می توان نتیجه ی برهم نهی انرژی منتق شده توسط حرکت تصادفی مولکول ها و حرکت توده ای سیال دانست. واژه ی کانوکشن عموما به چنین انتقال انرژی ای اشاره دارد و واژه ی ادوکشن، جرکت توده ای سیال توصیف میکند.
ما در این قسمت به طور خاص به انتقال حرارت به روش کانوکشن، که هنگام برخورد یک جریان سیال و یک سطح، درحالی که دارای دماهای متفاوتی هستند، تمرکز خواهیم کرد. در تصویر زیر جریان سیالی را بر روی یک سطح گرم شده در نظر بگیرید. یکی از نتایج تعامل این سیال با سطح گرم شده، توسعه ی ناحیه ای در سیال می باشد که در آن سرعت جریان سیال از صفر بر روی سطح تا یک مقدار بی نهایت، که مربوط به جریان سریال می باشد، تغییر می کند. این ناحیه از سیال تحت عنوان لایه مرزی هیدرودینامیک و یا سرعت نامیده می شود. علاوه بر این، اگر دمای سیال و سطح متفاوت باشند، در سیال ناحیه ای وجود خواهد داشت که در آن دما از Ts در y=0 تا ∞T در قسمت بیرونی جریان سیال، تغییر خواهد کرد. این ناحیه که از آن به عنوان ناحیه ی مرزی حرارتی یاد می شود، ممکن است بزرگتر، کوچکتر و یا مساوی ناحیه مرزی سرعت باشد. در هر حالت در صورتی که∞Ts> T باشد، انتقال حرارت همرفتی از سطح به سمت قسمت بیرونی سیال اتفاق می افتد.
در انتقال حرارت به روش همرفت هر دو حالت حرکت تصادفی مولکول ها و حرکت توده ای سیال در محدوده ی لایه ی مرزی اتفاق می افتد. حالت انتقال انرژی به روش حرکت تصادفی مولکول ها در نزدیکی سطح که سرعت سیال در آنجا اندک می باشد (در y=0 سرعت سیال برابر صفر خواهد بود)، چشمگیر خواهد بود. بخشی از انتقال حرارت که به دلیل حرکت توده ای سیال می باشد، ناشی از گسترش لایه ی مرزی همراه با پیشروی جریان در جهت X می باشد. در نتیجه حرارت انتقال داده شده به این لایه در پایین جریان می یابد و در نهایت به قسمت خارجی این لایه ی مرزی منتقل می شود.
انتقال حرارت همرفتی را می توان با توجه به ماهیت سیال دسته بندی کرد. زمانی که سیال با استفاده از تجهیزات خارجی مانند فن، پمپ و یا باد جریان یابد آن را همرفت اجباری می نامیم. بر خلاف آن همرفت طبیعی یا آزاد در نتیجه ی نیروهای بویونانسی، که به دلیل اختلاف چگالی که خود ناشی از تفاوت دما در سیال می باشد، ایجاد می شود. دو حالت دیگر انتقال حرارت همرفتی نیز جوشش و میعان می باشند که در شکل زیر به نمایش در آمده اند.
صرف نظر از ماهیت انتقال حرارت همرفتی، معادله ی مناسبی که بتواند نرخ انتقال حرارت به این روش را بیان کند به شکل زیر تعریف می شود:
که در آن "q شار حرارتی همرفتی می باشد که به اختلاف دمای بین سطح و سیال بستگی دارد. این عبارت به قانون تبرید نیوتن شهرت دارد و پارامتر h (w/m2.k) در آن، ضریب انتقال حرارت همرفتی می باشد. این ضریب به شرایط لایه ی مرزی بستگی دارد که خود آن نیز تحت تاثیر هندسه ی سطح، ماهیت جریان سیال و ویژگی های انتقالی و ترمودینامیکی سیال بستگی دارد.