자연대류

이 글을 '대류'로 통폐합하자는 의견이 2021년 4월부터 제기되었다.

자연대류는 물과 같은 액체나 공기와 같은 기체의 움직임의 흐름의 일종으로, 유체의 운동은 어떤 외부 소스(펌프, 팬, 흡입 장치 등)에 의해서가 아니라 유체의 일부분이 다른 부분보다 무거워지는 것이다. 대부분의 경우에 이것은 자연 순환으로 이어지고, 중력과 열 에너지의 가능한 변화로 시스템 내의 유체가 연속적으로 순환할 수 있다. 자연대류의 원동력은 중력이다. 예를 들어, 만약 더 뜨겁고 덜 밀도가 높은 공기 위에 차가운 밀도가 높은 공기층이 있다면, 중력은 더 높은 밀도를 가진 공기층이 더 강하게 끌어당겨지는 반면, 더 뜨겁고 덜 밀도가 낮은 공기는 그 자리를 차지하기 위해 상승한다. 이것은 순환 흐름을 만든다: 대류. 중력에 의존하기 때문에 국제우주정거장처럼 자유낙하(내부) 환경에서는 대류가 없다. 자연대류는 공기와 물 중 어느 한 쪽의 뜨겁고 차가운 지역이 있을 때 발생할 수 있는데, 이는 물과 공기가 모두 가열될수록 밀도가 떨어지기 때문이다. 그러나, 예를 들어, 세계의 바다에서도 그것은 또한 신선한 물보다 무거운 소금물 때문에 발생하기 때문에, 더 신선한 물의 층 위에 있는 소금물 층도 대류를 일으킬 것이다.

자연 대류는 자연과 공학적 응용 분야 모두에서 존재하기 때문에 연구자들로부터 많은 관심을 끌었다. 자연에서, 햇빛을 쬐는 땅이나 물 위에서 공기 상승으로 형성된 대류 세포는 모든 기상 시스템의 주요 특징이다. 대류는 또한 불에서 나오는 뜨거운 공기의 상승 플룸, 판구조학, 해양 조류(열대류 순환), 바다 바람 형성(코리올리 힘에 의해 상향대류도 변형됨)에서도 볼 수 있다. 엔지니어링 애플리케이션에서 대류는 용해된 금속을 냉각하는 동안 마이크로 구조의 형성에 일반적으로 시각화되며, 차폐된 열 방출 지느러미, 태양 연못 주위로 유체가 흐른다. 자연 대류의 매우 일반적인 산업적 적용은 팬의 도움 없이 자유로운 공기 냉각이다: 이것은 대규모 공정 장비에 작은 규모(컴퓨터 칩)에서 발생할 수 있다.

원칙

유체의 밀도 차이가 핵심 구동 메커니즘이다. 열로 인해 밀도의 차이가 발생하는 경우 이 힘을 열원(thermal head) 또는 열 구동 헤드(thermal driving head)라고 부른다. 자연 순환을 위해 설계된 유체 시스템은 열원(heat source)과 열제거원을 갖게 된다. 이들 각각은 시스템 내의 일부 액체와 접촉하지만, 모든 액체가 접촉하는 것은 아니다. 열원은 열제거원보다 낮은 위치에 있다.

일반적인 온도에서 유동적인 대부분의 물질은 열을 받으면 팽창하여 밀도가 낮아진다. 이에 상응하여, 그것들은 식으면 더 밀도가 높아진다. 자연 순환계의 열원에서는 가열된 액체가 그것을 둘러싼 액체에 비해 가벼워지고, 따라서 상승한다. 열제거원에서는 주변의 액체가 식을수록 밀도가 높아져 중력에 의해 아래로 끌어당긴다. 이러한 효과는 열원으로부터 열제거원까지 유체의 흐름을 생성하여 다시 열제거원으로 이동시킨다.

예

자연 순환 시스템에는 토네이도와 다른 기상 시스템, 해류, 가정용 환기가 포함된다. 일부 태양열 온수기는 자연 순환을 이용한다.

걸프류는 물의 증발에 의해 순환한다. 이 과정에서 염분과 밀도가 높아진다. 북대서양에서는 물이 너무 빽빽해져서 가라앉기 시작한다.

원자로에서 자연순환은 설계기준이 될 수 있다. 이는 유체 흐름의 난류 및 마찰(즉, 헤드 손실을 최소화)을 줄이고, 유체 경로에서 작동하지 않는 펌프를 제거하는 방법을 제공함으로써 달성된다. 또한 원자로(열원)는 증기발생기나 터빈(열제거원)보다 물리적으로 낮아야 한다. 이렇게 하면 자연순환은 펌프로 전원을 공급할 수 없는 경우에도 원자로가 열제거원보다 뜨거운 한 유체가 계속 흐르도록 보장할 것이다.

주목할 만한 예로는 S5G와^[4][5][6] S8G 미국 해군 원자로가 있는데, 이 원자로는 자연 순환 하에서 전력의 상당 부분을 차지하도록 설계되어 추진 발전소를 조용하게 했다. S6G 원자로는 자연순환하에서는 전력으로 운전할 수 없지만 정지 상태에서 비상 냉각을 유지하는 데 사용할 수 있다.

자연순환의 특성상 유체는 일반적으로 매우 빠르게 이동하지는 않지만, 높은 유량이 안전하고 효과적인 원자로 운전에 필수적인 것은 아니기 때문에 반드시 나쁜 것은 아니다. 현대 설계 원자로에서는 흐름 역전이 거의 불가능하다. 모든 원자로들, 심지어 자연 순환을 주로 유체 순환의 주요 방법으로 사용하도록 설계된 원자로들도 자연 순환이 충분하지 않을 경우 유체를 순환시킬 수 있는 펌프를 가지고 있다.

매개변수

시작

자연대류의 시작은 레일리 수(Ra)에 의해 결정된다. 이 차원이 없는 번호는

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

어디에

• ${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle \Delta \rho }$은(는) 혼합되는 두 재료 구획 간의 밀도 차이
• ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle g}$은(는) 국소 중력 가속이다.
• ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle L}$은 대류의 특징적인 길이 척도: 끓는 냄비의 깊이(예:
• ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle D}$은 대류를 유발하는 특성의 확산성이다.
• $[\displaystyle \mu }$은(는) 동적 점성이다.

자연 대류는 두 유체 사이의 밀도 변화, 대류를 구동하는 중력에 의한 가속도 및/또는 대류 매체를 통한 더 큰 거리를 가지면서 더 가능성이 높고 더 빠를 것이다. 대류는 더 빠른 확산(대류를 야기하는 경사를 분산시킴으로써) 및/또는 더 점성(고착성) 유체와 함께 덜 발생하거나 덜 빠를 것이다.

위의 끓는 냄비에 기술된 바와 같이 아래로부터의 난방으로 인한 열 대류의 경우 열팽창과 열 확산성에 대해 방정식을 수정한다. 열팽창에 따른 밀도 변화는 다음과 같다.

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

어디에

• ${\displaystyle {\rho }_{}}$ ${\$는 기준 밀도로, 일반적으로 매질의 평균 밀도로 선택된다.
• ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \beta$}은(는) 열팽창 계수 및
• ${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \Delta T}$은 매체 간 온도 차이다.

일반 확산도 $D{\displaystyle }$ ${\displaystyle D}$은$$열 확산도 $\alpha {\displaystyle }$ ${\displaystyle \alpha }$로 다시 정의된다$.$

$D=\알파 }$

이러한 대체물을 삽입하면 열 대류를 예측하는 데 사용할 수 있는 Rayleigh 번호가 생성된다.^[7]

${\displaystyle {\textbf{Ra}={\frac {\rho_{0}g\beta \Delta TL^{3}}{\alpha \mu }}}}}$

난류

난류를 향한 특정한 자연 대류계의 경향은 Grashof 수(Gr)에 의존한다.^[8]

${\displaystyle Gr={\frac {g\beta \Delta TL^{3}{\nu ^{2}}:$

매우 끈적끈적하고 점성이 강한 유체(큰 ν)에서는 유체의 움직임이 제한되며, 자연 대류는 비거품이 된다.

앞의 하위섹션의 처리에 따라 일반적인 유체속도는 $시스템$의 기하학적 구조에 따라 수치인자까지$$g ${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$ ${\displaystyle \rho }$ L ${\displaystyle {2\mathrm{}}^{}}$/ $[\displaystyle g\Delta \rho$ L$^{2}/\mu }$의 순서로 되어 있다. 따라서, 그레이쇼프 수는 레이놀즈 수의 공식에서 속도를 대체하는 자연대류 속도의 레이놀즈 수로 생각할 수 있다. 그러나 실제로는 레이놀즈 숫자를 언급할 때 강제 대류를 고려하고 있으며, 속도는 외부 제약조건에 의해 지시되는 속도로 간주된다(아래 참조).

행동

그라쇼프 수는 농도 경사로 인해 발생하는 자연 대류를 위해 형성될 수 있으며, 때로는 열-솔루탈 대류라고 불리기도 한다. 이 경우 뜨거운 액체의 농도는 차가운 액체로 확산되는데, 이는 잉크가 물 확산 용기에 쏟아져 공간 전체를 염색하는 것과 거의 같은 방식이다. 다음:

${\displaystyle Gr={\frac {g\beta \Delta CL^{3}{\nu ^{2}}:$

자연대류는 뜨거운 표면의 기하학에 따라 크게 좌우되며, 열전달계수를 결정하기 위해 다양한 상관관계가 존재한다. 다양한 기하학적 구조에 적용되는 일반적인 상관관계는

$Nu=\왼쪽[Nu_{0}^{\frac {1}{1}:{2}}+Ra^{1}{1}{6}}\왼쪽({\frac {f_{4}}\왼쪽(Pr\오른쪽)}{300}}\오른쪽)^{\frac {1}{6}\오른쪽]^{2}}$

f₄(Pr) 값은 다음 공식을 사용하여 계산한다.

${\displaystyle f_{4}(Pr)=\좌측[1+\좌측({\frac {0.5}{Pr}\우측)^{\frac {9}{16}\우측]^{\frac {-16}{9}}}}}}$

Nu는 Nusselt 번호로, Nu의₀ 값과 Ra를 계산하는 데 사용된 특성 길이가 아래에 열거되어 있다(토론 참조).

기하학	특성 길이	누0
경사면	x (평면을 따라가는 거리)	0.68
경사디스크	9D/11(D = 직경)	0.56
수직 실린더	x (실린더)	0.68
원뿔	4x/5 (x = 경사면을 따른 거리)	0.54
수평 실린더	${\displaystyle \pi }$ ${\displaystyle D}$/ ${\displaystyle 2\mathrm{}}$ ${\displaystyle \pi D/2}($D = 실린더 직경)	0.36 ${\displaystyle }$ ${\displaystyle \pi }$

경고: 수평 실린더에 표시된 값이 잘못됨. 논의를 참조하십시오.

수직판으로부터의 자연대류

이 시스템에서는 열이 수직 플레이트에서 자연 대류에 의해 수직 플레이트와 평행하게 이동하는 유체로 전달된다. 이는 이동 유체의 밀도가 위치에 따라 달라지는 모든 시스템에서 발생한다. 이러한 현상은 이동 유체가 강제 대류에 의해 최소로 영향을 받는 경우에만 의미가 있을 것이다.^[9]

유체의 흐름이 난방의 결과임을 고려할 때, 유체가 이상적인 이원자이고 일정한 온도에서 수직 플레이트에 인접하며 유체의 흐름이 완전히 층층이라고 가정할 때 다음과 같은 상관관계를 사용할 수 있다.^[10]

Nu_m = 0.478(Gr^0.25)^[10]

평균 너셀트 수 = Nu_m = hL_m/k^[10]

어디에

• h_m = 플레이트의 하단 가장자리와 거리 L(W/m². K)의 임의 지점 사이에 적용되는 평균 계수
• L = 수직면의 높이(m)
• k = 열전도도(W/m. K)

Grashof number = ${\displaystyle {Gr\mathrm{}}^{}}$ =${\displaystyle }$[ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle {}^{}}$( ${\displaystyle t_{}}$- ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\infty \mathrm{}}_{}}$) ${\displaystyle ]}$/ v ${\displaystyle {}^{}}$ T ${\displaystyle [gL^{3}(t_{s}-t_{\infit }})]/v^{$2}$T}$ ^[9][10]

어디에

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

흐름이 난류일 때는 Rayleigh 번호와 관련된 상이한 상관관계(Grashof number와 Prandtl number의 함수)를 사용해야 한다.^[10]

위의 방정식은 이상적인 기체에만 적용되는 $\beta {\displaystyle }$ ${\displaystyle \beta }$의 $근사치{\displaystyle \mathrm{}}$ 1$$/ T ${\displaystyle 1/T}$로 대체되었기$$ 때문에 Grashof 숫자에 대한 일반적인 식과 다르다는 점에 유의하십시오.

패턴형성

대류, 특히 레일리-베나드 대류는 두 개의 단단한 수평판에 의해 대류 유체가 포함된 것으로, 패턴 형성 시스템의 편리한 예다.

열이 한 방향(보통 아래)에서 시스템으로 공급될 때 작은 값에서 유체 흐름을 일으키지 않고 아래로부터 확산(전도)할 뿐이다. Rayleigh 수치의 임계치 이상으로 열 흐름이 증가함에 따라 시스템은 안정된 전도 상태에서 열로 인한 유체의 대량 이동이 시작되는 대류 상태로 분리를 겪는다. 밀도 이외의 유체 매개변수가 온도에 크게 의존하지 않는 경우 유량 프로파일은 대칭이며, 동일한 유체 부피는 하강으로 상승한다. 이것은 부신크 대류라고 알려져 있다.

유체의 상부와 하부의 온도차가 높아짐에 따라, 온도에 의해 유체에 밀도 이외의 유체 매개변수의 유의한 차이가 발생할 수 있다. 그러한 매개변수의 예는 점성이며, 유체의 층에 걸쳐 수평으로 크게 변화하기 시작할 수 있다. 이것은 계통의 대칭을 깨뜨리고, 일반적으로 오른쪽에서 보는 바와 같이 위로 움직이는 유체나 아래로 움직이는 유체의 패턴을 줄무늬에서 육각형으로 바꾼다. 그러한 육각형은 대류세포의 한 예다.

레일리 숫자가 대류세포가 처음 나타나는 값보다 훨씬 높아짐에 따라, 시스템은 다른 분기를 겪을 수 있고 나선형 같은 다른 복잡한 패턴이 나타나기 시작할 수 있다.

동결온도에서의 물대류

물은 부신스큐 근사치를 따르지 않는 액체다.^[11] 온도에 따라 밀도가 비선형적으로 달라져 열팽창계수가 결빙온도에 근접하지 못하기 때문이다.^[12][13] 물의 밀도는 최대 4 °C에 도달하고 온도가 멀어지면 감소한다. 이 현상은 실험과 수치적 방법에 의해 조사된다.^[11] 물은 처음에는 사각형 공동 내에서 10 °C에서 정체된다. 좌우 벽이 각각 10°C와 0°C로 유지되는 두 개의 수직 벽 사이에서 차등 가열된다. 밀도 이상은 흐름 패턴에서 나타난다.^{[11][14][15][16]} 오른쪽 벽에서 물이 차가워지면 밀도가 높아져 아래로 흘러가는 속도가 빨라진다. 흐름이 발달하고 물이 더 식으면서 밀도가 감소하면 공동의 오른쪽 하단 모서리에 재순환 전류가 발생한다.

이 현상의 또 다른 사례는 초냉각의 경우인데, 이때 물은 영하로 냉각되지만 즉시 얼기 시작하지는 않는다.^[13][17] 이전과 같은 조건에서 흐름이 발달한다. 이후 오른쪽 벽의 온도를 -10 °C로 낮춘다. 이것은 그 벽의 물을 과냉각하게 하고, 시계 반대방향의 흐름을 만들고, 처음에는 따뜻한 전류를 압도하게 한다.^[11] 이 플룸은 얼음의 핵이 지연되어 발생한다.^[11][13][17] 일단 얼음이 형성되기 시작하면 유량은 이전과 비슷한 패턴으로 되돌아가고 유량이 다시 발달할 때까지 고체화는 점차적으로 전파된다.^[11]

맨틀 대류

지구 맨틀 내의 대류는 판구조론의 원동력이다. 맨틀 대류는 열 경사로의 결과로서, 하단 맨틀은 상부 맨틀보다 뜨겁고, 따라서 밀도가 낮다. 이것은 두 가지 주요 불안요소를 설정한다. 첫 번째 유형에서는 플럼이 하단 맨틀에서 올라오고, 그에 상응하는 암석권의 불안정한 영역이 맨틀로 다시 떨어진다. 두 번째 유형에서는 서브덕팅 해양 판(맨틀의 상부 열경계층을 주로 구성함)이 맨틀에 다시 충돌하여 코어망틀 경계를 향해 아래쪽으로 이동한다. 맨틀 대류는 매년 센티미터의 비율로 발생하며, 대류의 주기를 완성하는 데 수억 년의 시간이 걸린다.

지구 핵에서 중성미자 유동 측정(캠랜드 참조)은 내부 핵에서 열의 약 2/3가 K, 우라늄, 토륨의 방사성 붕괴임을 보여준다. 이것은 지구의 판구조학이 단순히 지구의 형성으로부터 남겨진 열에 의해 움직이거나, 중력 전위 에너지로부터 생성된 열로 인해 지구 내부의 더 밀도가 높은 부분을 행성의 중심 쪽으로 물리적으로 재배열한 결과(즉, 연장자의 일종)에 의해 지구상의 판구조학은 그것이 가질 수 있는 것보다 훨씬 더 오래 지속될 수 있게 했다.d 하강 및 정착).

참고 항목

• 강제 대류 및 자연 대류 결합
• 강제대류
• 대류
• 열전달
• 열 교환기.
• 자연환기
• 압력 헤드

참조