Введение

Конвекция – это однофазный или многофазный поток жидкости, возникающий спонтанно под совместным воздействием неоднородности свойств жидкости и сил, действующих на объем (сил тела), чаще всего плотности и гравитации (см. плавучесть). Если причина конвекции не указана, можно предположить, что она обусловлена эффектами теплового расширения и плавучести. Конвекция может также происходить в мягких твердых телах или смесях, где частицы способны перемещаться. Конвективный поток может быть неустановившимся (например, при разделении многофазной смеси нефти и воды) или стационарным (см. конвективная ячейка). Конвекция может вызываться гравитационными, электромагнитными или фиктивными силами тела. Перенос тепла посредством естественной конвекции играет важную роль в структуре атмосферы Земли, ее океанов и мантии. Отдельные конвективные ячейки в атмосфере можно идентифицировать по облакам, при этом более интенсивная конвекция приводит к грозам. Естественная конвекция также играет роль в звездной физике. Конвекцию часто классифицируют или описывают по основному эффекту, вызывающему конвективный поток, например, тепловая конвекция. Конвекция невозможна в большинстве твердых тел, поскольку в них не происходит ни объемного движения, ни значительной диффузии вещества. Гранулярная конвекция – это аналогичное явление, происходящее в гранулированных материалах вместо жидкостей. Адвекция – это движение жидкости, создаваемое скоростью, а не тепловыми градиентами. Конвективный теплообмен – это намеренное использование конвекции как метода теплопередачи. Конвекция – это процесс, при котором тепло переносится из одного места в другое за счет объемного перемещения жидкости и газов.

История

В 1830-х годах в «Трактатах Бриджуотера» термин «конвекция» впервые зафиксирован в научном значении. В трактате VIII Уильяма Прута, в книге по химии, говорится:

[ ] Это движение тепла происходит тремя путями, которые наглядно демонстрирует обычный камин. Если, например, поместить термометр непосредственно перед огнем, он вскоре начнет повышаться, указывая на увеличение температуры. В этом случае тепло прошло через пространство между огнем и термометром посредством процесса, называемого излучением. Если поместить второй термометр в контакт с любой частью решетки, вдали от прямого воздействия огня, мы обнаружим, что и этот термометр показывает повышение температуры; однако здесь тепло должно было пройти через металл решетки посредством процесса, называемого теплопроводностью. Наконец, третий термометр, установленный в дымоходе, вдали от прямого воздействия огня, также покажет значительное повышение температуры; в этом случае часть воздуха, проходящего через огонь и рядом с ним, нагрелась и подняла температуру, полученную от огня, вверх по дымоходу. В настоящее время в нашем языке нет единого термина для обозначения этого третьего способа распространения тепла; однако мы решаемся предложить для этой цели термин «конвекция» [в сноске: [лат. Convectio – перенос, доставка], который не только выражает основной факт, но и хорошо сочетается с двумя другими терминами. Позже, в том же трактате VIII, в книге по метеорологии, понятие конвекции также применяется к «процессу, посредством которого тепло передается через воду».

Терминология

Сегодня слово "конвекция" имеет различные, но взаимосвязанные значения в разных научных или инженерных контекстах и областях применения. В гидродинамике конвекция понимается в более широком смысле: она относится к движению жидкости, вызванному разностью плотности (или других свойств). В термодинамике конвекция часто подразумевает перенос тепла посредством конвекции, при этом используется термин "естественная конвекция" для разграничения гидродинамического понятия конвекции (рассматриваемого в данной статье) и конвективного теплообмена. Некоторые явления, приводящие к эффекту, внешне похожему на эффект конвективной ячейки, также могут (неточно) называться формой конвекции, например, термокапиллярная и гранулярная конвекция.

Механизмы

Конвекция может возникать в жидкостях и газах при масштабах, превышающих размеры нескольких атомов. Существует множество условий, при которых возникают силы, необходимые для конвекции, что приводит к различным её типам, которые описаны ниже. В общем случае конвекция возникает из-за объемных сил, действующих внутри жидкости или газа, таких как сила тяжести.

Естественная конвекция

Естественная конвекция – это поток, движение которого обусловлено разницей в плотности частей жидкости. В большинстве случаев это приводит к естественной циркуляции: способности жидкости в системе непрерывно циркулировать под действием силы тяжести с переносом тепловой энергии. Гравитация является движущей силой естественной конвекции. В столбе жидкости давление увеличивается с глубиной из-за веса вышележащей жидкости. Давление на дно погруженного объекта, таким образом, превышает давление на его верхнюю часть, создавая результирующую силу плавучести, направленную вверх, равную весу вытесненной жидкости. Объекты с плотностью выше, чем у вытесненной жидкости, тонут. Например, более теплый воздух с низкой плотностью поднимается вверх, а более холодный воздух с высокой плотностью опускается вниз. Это создает циркулирующий поток – конвекцию. Гравитация обуславливает естественную конвекцию. Без гравитации конвекция не возникает, поэтому она отсутствует в условиях свободного падения (инерциальной среды), таких как на борту Международной космической станции. Естественная конвекция может происходить в областях с разной температурой воздуха или воды, поскольку и вода, и воздух становятся менее плотными при нагревании. Однако, например, в океанах она также возникает из-за того, что соленая вода тяжелее пресной, поэтому слой соленой воды над слоем пресной воды также вызывает конвекцию. Естественная конвекция привлекает значительное внимание исследователей благодаря ее распространенности как в природе, так и в инженерных приложениях. В природе конвективные ячейки, образующиеся из воздуха, поднимающегося над нагретой солнцем сушей или водой, являются важной особенностью всех погодных систем. Конвекция также наблюдается в восходящем потоке горячего воздуха от огня, в тектонике плит, в океанических течениях (термохалинной циркуляции) и в формировании морского бриза (где восходящая конвекция модифицируется силами Кориолиса). В инженерных приложениях конвекцию можно наблюдать при образовании микроструктур в процессе охлаждения расплавленных металлов, при движении жидкости вокруг оребренных радиаторов и в солнечных прудах. Распространенным промышленным применением естественной конвекции является воздушное охлаждение без использования вентиляторов: это может происходить как в небольших масштабах (например, для охлаждения компьютерных чипов), так и в крупномасштабном технологическом оборудовании. Естественная конвекция будет более вероятной и интенсивной при большей разнице в плотности между двумя жидкостями, большем ускорении свободного падения, вызывающем конвекцию, или большем расстоянии в среде, где происходит конвекция. Естественная конвекция будет менее вероятной и интенсивной при более быстрой диффузии (которая рассеивает тепловой градиент, вызывающий конвекцию) или при большей вязкости (липкости) жидкости. Начало естественной конвекции можно определить с помощью числа Рэлея (Ra). Различия в плавучести внутри жидкости могут возникать по причинам, отличным от изменений температуры, в этом случае движение жидкости называется гравитационной конвекцией (см. ниже). Однако все типы плавучей конвекции, включая естественную, не происходят в условиях микрогравитации. Всем им необходимо наличие среды, испытывающей ускорение силы тяжести (собственное ускорение). Разница в плотности жидкости является ключевым механизмом. Если эта разница в плотности вызвана теплом, эта сила называется "тепловым напором" или "тепловым движущим напором". Жидкостная система, предназначенная для естественной циркуляции, будет иметь источник тепла и теплоотвод. Каждый из них контактирует лишь с частью жидкости в системе, но не со всей. Источник тепла расположен ниже теплоотвода. Большинство жидкостей расширяются при нагревании, становясь менее плотными, и сжимаются при охлаждении, становясь более плотными. У источника тепла в системе естественной циркуляции нагретая жидкость становится легче окружающей ее жидкости и поднимается вверх. У теплоотвода охлаждающаяся жидкость становится плотнее и под действием силы тяжести опускается вниз. Вместе эти эффекты создают поток жидкости от источника тепла к теплоотводу и обратно.

Гравитационная или плавучая конвекция

Гравитационная конвекция — это тип естественной конвекции, возникающий из-за изменений плавучести, обусловленных свойствами материала, отличными от температуры. Как правило, это вызвано переменным составом жидкости. Если изменяющееся свойство представляет собой градиент концентрации, это явление известно как солютальная конвекция. Например, гравитационную конвекцию можно наблюдать при диффузии источника сухой соли вниз во влажную почву из-за плавучести пресной воды в солёной. Переменная солёность воды и переменное содержание воды в воздушных массах часто являются причинами конвекции в океанах и атмосфере, не связанной с теплом, или же включающей дополнительные факторы плотности, обусловленные составом, помимо изменений плотности, вызванных тепловым расширением (см. термохалинную циркуляцию). Аналогично, переменный состав недр Земли, которые ещё не достигли максимальной стабильности и минимальной энергии (то есть, где наиболее плотные части находятся в глубине), продолжает вызывать часть конвекции расплавленной породы и металла внутри Земли (см. ниже). Гравитационная конвекция, как и естественная тепловая конвекция, также требует наличия гравитационного поля для своего возникновения.

Конвекция в твердом состоянии в льду

Считается, что конвекция льда на Плутоне происходит в мягкой смеси азотного льда и льда из монооксида углерода. Также предполагалось, что она может происходить на Европе и других телах во внешней Солнечной системе. Другой распространенный эксперимент для демонстрации тепловой конвекции в жидкостях заключается в погружении открытых сосудов с горячей и холодной жидкостью, окрашенной красителем, в большой сосуд с той же жидкостью, но без красителя, имеющей промежуточную температуру (например, банку с горячей водопроводной водой, окрашенной в красный цвет, и банку с водой, охлажденной в холодильнике, окрашенной в синий цвет, опускаются в прозрачный резервуар с водой комнатной температуры). Третий способ – использовать два одинаковых сосуда, один заполненный горячей водой одного цвета, а другой – холодной водой другого цвета. Затем один сосуд временно герметизируют (например, карточкой), переворачивают и помещают поверх другого. Когда карточку убирают, если наверх поместить сосуд с более теплой жидкостью, конвекция не возникнет. Если наверх поместить сосуд с более холодной жидкостью, спонтанно образуется конвекционный поток. Конвекцию в газах можно продемонстрировать, используя свечу в герметичном пространстве с приточным и вытяжным отверстиями. Тепло от свечи вызовет сильный конвекционный поток, который можно продемонстрировать с помощью индикатора потока, например, дыма от другой свечи, выпускаемого вблизи приточных и вытяжных отверстий соответственно.

Конвекционные элементы

Конвекционная ячейка, также известная как ячейка Бенарда, представляет собой характерную картину течения жидкости во многих конвекционных системах. Поднимающийся объем жидкости обычно теряет тепло, поскольку сталкивается с более холодной поверхностью. В жидкостях это происходит за счет теплообмена с более холодной жидкостью посредством непосредственного контакта. В случае земной атмосферы это происходит за счет излучения тепла. Из-за этой потери тепла жидкость становится плотнее, чем находящаяся под ней, которая все еще поднимается. Поскольку она не может опуститься сквозь поднимающуюся жидкость, она перемещается в сторону. На определенном расстоянии сила тяжести, направленная вниз, преодолевает восходящую силу под ней, и жидкость начинает опускаться. По мере опускания она снова нагревается, и цикл повторяется. Кроме того, конвекционные ячейки могут возникать из-за различий в плотности, вызванных разницей в составе электролитов.

Атмосферная циркуляция

Атмосферная циркуляция – это крупномасштабное движение воздуха, посредством которого тепловая энергия распределяется по поверхности Земли совместно с гораздо более медленной (запаздывающей) системой океанической циркуляции. Крупномасштабная структура атмосферной циркуляции варьируется год от года, но базовая климатологическая структура остаётся относительно постоянной. Широтная циркуляция обусловлена тем, что количество солнечной радиации, приходящейся на единицу площади, максимально на тепловом экваторе и уменьшается с увеличением широты, достигая минимума на полюсах. Она состоит из двух основных конвективных ячеек – ячейки Хэдли и полярного вихря, при этом в ячейке Хэдли наблюдается более интенсивная конвекция из-за высвобождения скрытой теплоты при конденсации водяного пара на больших высотах во время образования облаков. Долготная циркуляция, напротив, возникает из-за того, что океан обладает большей удельной теплоёмкостью, чем суша (а также большей теплопроводностью, позволяющей теплу проникать глубже под поверхность), и, следовательно, поглощает и высвобождает больше тепла, но при этом изменения температуры происходят в меньшей степени, чем на суше. Это приводит к тому, что днём морской бриз, воздух, охлаждённый водой, достигает берега, а ночью сухопутный бриз, воздух, охлаждённый при контакте с землёй, уходит в море. Долготная циркуляция состоит из двух ячеек – циркуляции Уокера и явлений Эль-Ниньо / Южной осцилляции.

Погода

Некоторые более локализованные явления, чем глобальное атмосферное движение, также обусловлены конвекцией, включая ветер и часть гидрологического цикла. Например, фён – это нисходящий ветер, возникающий на подветренной стороне горного хребта. Он обусловлен адиабатическим нагревом воздуха, который отдал большую часть своей влаги на наветренных склонах. Из-за различной скорости адиабатического изменения температуры влажного и сухого воздуха, воздух на подветренных склонах становится теплее, чем на той же высоте на наветренных склонах. Термик (или тепловой столб) – это вертикальный участок поднимающегося воздуха в нижних слоях атмосферы Земли. Термики образуются из-за неравномерного нагрева земной поверхности солнечным излучением. Солнце нагревает землю, которая, в свою очередь, нагревает воздух непосредственно над ней. Теплый воздух расширяется, становится менее плотным, чем окружающая воздушная масса, и создает область пониженного давления. Масса более легкого воздуха поднимается, и по мере подъема охлаждается за счет расширения при более низком давлении. Подъем прекращается, когда он охлаждается до температуры окружающей среды. С термиком связан нисходящий поток воздуха, окружающий столб. Нисходящий поток обусловлен вытеснением холодного воздуха в верхней части термика. Еще одним погодным явлением, вызванным конвекцией, является морской бриз. Теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный, поэтому теплый воздух поднимается в более холодном воздухе, подобно воздушным шарам. Облака образуются, когда относительно теплый воздух, содержащий влагу, поднимается в более холодный воздух. По мере подъема влажного воздуха он охлаждается, что приводит к конденсации части водяного пара в поднимающемся воздушном потоке. При конденсации влаги выделяется энергия, известная как скрытая теплота конденсации, которая позволяет поднимающемуся воздушному пакету охлаждаться медленнее, чем окружающий воздух, продолжая подъем облака. Если в атмосфере достаточно неустойчивости, этот процесс может продолжаться до тех пор, пока не сформируются кучево-дождевые облака, которые поддерживают молнии и гром. Как правило, для образования грозы требуется три условия: влага, неустойчивая воздушная масса и сила подъема (тепло). Все грозы, независимо от типа, проходят три стадии: стадия развития, стадия зрелости и стадия затухания. Средняя гроза имеет определенный диаметр. В зависимости от условий в атмосфере, эти три стадии занимают в среднем 30 минут.

Океанская циркуляция

Солнечное излучение влияет на океаны: теплая вода с экватора имеет тенденцию циркулировать к полюсам, в то время как холодная полярная вода направляется к экватору. Поверхностные течения изначально определяются условиями поверхностного ветра. В тропиках пассаты дуют на запад, а в средних широтах – на восток. Этот ветер оказывает напряжение на субтропическую поверхность океана с отрицательной кривизной в Северном полушарии и с положительной кривизной в Южном полушарии. В результате транспорт Свердрупа направлен к экватору. Из-за сохранения потенциальной вихревости, вызванной движущимися к полюсам ветрами на западной периферии субтропического хребта, и увеличения относительной вихревости воды, движущейся к полюсам, этот транспорт уравновешивается узким, ускоряющимся полюсным течением, которое течет вдоль западной границы океанического бассейна, превосходя воздействие трения с холодным западным пограничным течением, возникающим из высоких широт. В целом, этот процесс, известный как западная интенсификация, приводит к тому, что течения на западной границе океанического бассейна сильнее, чем на восточной границе. По мере движения к полюсам теплая вода, переносимая сильным теплым течением, подвергается охлаждению за счет испарения. Охлаждение вызвано ветром: ветер, движущийся над водой, охлаждает воду и также вызывает испарение, оставляя более соленый раствор. В результате вода становится более соленой и плотной и понижает свою температуру. При образовании морского льда соли исключаются из льда, этот процесс известен как вытеснение рассола. Эти два процесса создают воду, которая становится более плотной и холодной. Вода в северной части Атлантического океана становится настолько плотной, что начинает опускаться вниз сквозь менее соленую и менее плотную воду. (Эта конвекция в открытом океане аналогична конвекции в лавовой лампе.) Этот нисходящий поток тяжелой, холодной и плотной воды становится частью Североатлантического глубинного течения – потока, направленного на юг.

Конвекция манты

Конвекция мантии — это медленное, ползучее движение скалистой мантии Земли, вызванное конвекционными потоками, переносящими тепло из недр Земли к поверхности. Это одна из трёх движущих сил, заставляющих тектонические плиты перемещаться по поверхности Земли. Поверхность Земли разделена на ряд тектонических плит, которые непрерывно создаются и уничтожаются на противоположных границах. Создание (аккреция) происходит, когда к растущим краям плиты добавляется мантия. Этот горячий добавленный материал охлаждается посредством теплопроводности и конвекции тепла. На краях плиты материал термически сжимается, становясь более плотным, и погружается под собственным весом в процессе субдукции в океанической впадине. Этот субдуцированный материал опускается на некоторую глубину в недра Земли, где его дальнейшее погружение прекращается. Субдуцированная океаническая кора является причиной вулканизма. Конвекция в мантии Земли является движущей силой тектоники плит. Конвекция мантии обусловлена тепловым градиентом: нижняя мантия горячее верхней и, следовательно, менее плотная. Это создаёт два основных типа нестабильности. В первом типе из нижней мантии поднимаются мантийные плюмы, а соответствующие нестабильные области литосферы опускаются обратно в мантию. Во втором типе субдуцируемые океанические плиты (которые в значительной степени составляют верхний тепловой пограничный слой мантии) погружаются обратно в мантию и движутся вниз к границе ядра и мантии. Конвекция мантии происходит со скоростью в сантиметры в год, и для завершения одного цикла конвекции требуется порядка сотен миллионов лет. Измерения потока нейтрино из ядра Земли (см. kamLAND) показывают, что около двух третей тепла во внутреннем ядре образуется в результате радиоактивного распада 40K, урана и тория. Это позволило тектонике плит на Земле продолжаться гораздо дольше, чем если бы она была обусловлена только теплом, оставшимся от формирования Земли, или теплом, производимым за счёт гравитационной потенциальной энергии в результате физического перераспределения более плотных частей недр Земли к центру планеты (то есть, в результате длительного опускания и осаждения).

Эффект стека

Эффект дымохода, или эффект тяги, — это движение воздуха внутрь и наружу зданий, дымоходов, дымовых труб или других емкостей, вызванное силой плавучести. Плавучесть возникает из-за разницы в плотности воздуха внутри и снаружи помещения, обусловленной различиями в температуре и влажности. Чем больше температурная разница и высота сооружения, тем сильнее сила плавучести и, соответственно, эффект тяги. Эффект дымохода способствует естественной вентиляции и инфильтрации воздуха. Некоторые градирни работают по этому принципу; аналогичным образом, солнечная башня с восходящим потоком воздуха — это предлагаемое устройство для генерации электроэнергии, основанное на эффекте тяги.

Звездная физика

Конвекционная зона звезды – это диапазон радиусов, в котором энергия переносится от ядра к внешним слоям преимущественно конвекцией, а не излучением. Это происходит на тех радиусах, где вещество достаточно непрозрачно, чтобы конвекция была более эффективным способом переноса энергии, чем излучение. Гранулы на фотосфере Солнца – это видимые вершины конвекционных ячеек в фотосфере, возникающие из-за конвекции плазмы. Поднимающаяся часть гранул находится в центре, где плазма горячее. Внешний край гранул выглядит темнее из-за опускающейся более холодной плазмы. Типичная гранула имеет диаметр около 1000 километров и существует от 8 до 20 минут, после чего рассеивается. Ниже фотосферы расположен слой гораздо более крупных "супергранул" диаметром до 30 000 километров, которые существуют до 24 часов.

Конвекция воды при температуре замерзания

Вода – это жидкость, которая не подчиняется приближению Буссинеска. Это связано с тем, что её плотность изменяется нелинейно с температурой, что приводит к несоответствию температурного коэффициента расширения вблизи температуры замерзания. Плотность воды достигает максимума при 4 °C и уменьшается при отклонении температуры от этой величины. Это явление исследуется экспериментально и с помощью численных методов. При охлаждении воды у правой стенки её плотность увеличивается, что ускоряет поток вниз. По мере развития потока и дальнейшего охлаждения воды, уменьшение плотности вызывает циркуляционный ток в правом нижнем углу полости. Другим примером этого явления является переохлаждение, когда вода охлаждается ниже температуры замерзания, но не начинает немедленно замерзать. В тех же условиях, что и ранее, развивается поток. Затем температура правой стенки снижается до -10 °C. Это приводит к переохлаждению воды у этой стенки, созданию потока против часовой стрелки, который первоначально подавляет тёплый ток. Реакторы S8G ВМС США были разработаны для работы на значительной части полной мощности при естественной циркуляции, что снижало шум этих энергетических установок. Реактор S6G не может работать на мощности при естественной циркуляции, но может использовать её для поддержания аварийного охлаждения в выключенном состоянии. По своей природе, естественная циркуляция обычно не обеспечивает высокой скорости движения жидкости, но это не обязательно является недостатком, поскольку высокие скорости потока не являются критически важными для безопасной и эффективной работы реактора. В современных ядерных реакторах обращение потока практически невозможно. Все ядерные реакторы, даже те, которые спроектированы для использования естественной циркуляции в качестве основного метода циркуляции теплоносителя, оснащены насосами, которые могут обеспечить циркуляцию теплоносителя в случае, если естественной циркуляции недостаточно.

Математические модели конвекции

Для описания и прогнозирования конвекции было выведено несколько безразмерных чисел, включая число Архимеда, число Грашофа, число Ричардсона и число Рэлея. В случаях смешанной конвекции (когда происходят одновременно естественная и вынужденная конвекция) часто возникает вопрос, какая доля конвекции обусловлена внешними воздействиями, такими как скорость потока жидкости, создаваемая насосом, а какая – естественной конвекцией, возникающей в системе. Относительные значения числа Грашофа и квадрата числа Рейнольдса определяют, какая форма конвекции преобладает. Если , вынужденной конвекцией можно пренебречь, а если , можно пренебречь естественной конвекцией. Если отношение этих чисел, известное как число Ричардсона, приблизительно равно единице, то необходимо учитывать как вынужденную, так и естественную конвекцию.

Турбулентность

Тенденция конкретной системы естественной конвекции к турбулентности определяется числом Грашофа (Gr). В очень вязких жидкостях (большое ν) движение жидкости ограничено, и естественная конвекция будет ламинарной. Как следует из рассмотрения предыдущего подраздела, типичная скорость жидкости составляет порядка , с точностью до числового коэффициента, зависящего от геометрии системы. Поэтому число Грашофа можно рассматривать как число Рейнольдса, в котором скорость естественной конвекции заменяет скорость в формуле числа Рейнольдса. Однако на практике, говоря о числе Рейнольдса, подразумевают вынужденную конвекцию, и скорость принимается равной скорости, определяемой внешними воздействиями (см. ниже).

Формирование шаблонов

Конвекция, особенно конвекция Рэлея — Бенара, где конвектирующая жидкость заключена между двумя жесткими горизонтальными пластинами, является удобным примером системы формирования узоров. Когда тепло поступает в систему из одного направления (обычно снизу), при небольших значениях оно просто диффундирует (проводит) снизу вверх, не вызывая движения жидкости. По мере увеличения теплового потока, при превышении критического значения числа Рэлея, система претерпевает бифуркацию от стабильного проводящего состояния к конвективному, когда начинается объемное движение жидкости из-за нагрева. Если параметры жидкости, кроме плотности, существенно не зависят от температуры, профиль потока симметричен, и одинаковый объем жидкости поднимается и опускается. Это известно как конвекция Буссинеска. При увеличении разницы температур между верхней и нижней частями жидкости, значительные различия в параметрах жидкости, отличных от плотности, могут развиваться из-за температуры. Примером такого параметра является вязкость, которая может начать значительно изменяться по горизонтали в слоях жидкости. Это нарушает симметрию системы и обычно изменяет структуру восходящих и нисходящих потоков жидкости от полос к шестиугольникам, как показано на рисунке справа. Такие шестиугольники являются одним из примеров конвекционной ячейки. При дальнейшем увеличении числа Рэлея выше значения, при котором впервые появляются конвекционные ячейки, система может претерпевать другие бифуркации, и могут возникать другие, более сложные узоры, такие как спирали.