強制対流と自然対流の組み合わせ

流体熱力学では、自然対流と強制対流の組み合わせ、または混合対流は、自然対流と強制対流のメカニズムが熱を伝達するために一緒に作用するときに発生します。これは、圧力と浮力の両方が相互作用する状況としても定義されます。^{[1]各形態の}対流が熱伝達にどの程度寄与するかは、主に流れ、温度、形状、および方向によって決まります。流体の性質も影響を与えます。グラスホフ数は温度が上昇するにつれて流体内で増加しますが、気体の場合はある時点で最大になります。^[2]

混合対流問題は、グラスホフ数（自然対流の場合）とレイノルズ数（強制対流の場合）によって特徴付けられます。混合対流に対する浮力の相対的な影響は、リチャードソン数で表すことができます。

${\displaystyle \mathrm {Ri} ={\frac {\mathrm {Gr} }{\mathrm {Re} ^{2}}}}$

それぞれの無次元数の長さスケールは、問題に応じて選択する必要があります。たとえば、グラスホフ数の場合は垂直長さ、レイノルズ数の場合は水平スケールです。リチャードソン数が小さい場合は、強制対流が支配的な流れを特徴付けます。リチャードソン数がより大きい場合は、流れの問題が純粋な自然対流であり、強制対流の影響は無視できることを示します。^[3]${\displaystyle \mathrm {Ri} \約 16}$

自然対流と同様に、混合対流の性質は熱伝達に大きく依存しており（浮力が駆動メカニズムの1つであるため）、乱流効果が重要な役割を果たします。^[4]

変数の範囲が広いため、さまざまな種類の流体と形状を含む実験に関する論文が何百本も発表されています。この多様性により、包括的な相関関係を得ることは困難であり、得られたとしても、通常は非常に限られたケースに限られます。^[2]ただし、強制対流と自然対流の組み合わせは、一般的に3つの方法のいずれかで説明できます。

最初のケースは、自然対流が強制対流を助ける場合です。これは、浮力運動が強制運動と同じ方向にある場合に見られ、境界層が加速され、熱伝達が向上します。^[5]ただし、乱流への移行は遅れることがあります。^[6] この例としては、熱いプレートに上向きに吹き付けるファンが挙げられます。熱は自然に上昇するため、プレート上で上向きに押し上げられる空気が熱伝達を増加させます。

2 番目のケースは、自然対流が強制対流と逆の働きをする場合です。ファンが冷却プレート上で空気を押し上げる場合を考えてみましょう。^[5]この場合、冷たい空気の浮力により、自然に空気は下降しますが、押し上げられる空気はこの自然の動きに抵抗します。リチャードソン数に応じて、冷却プレートの境界層は自由流よりも低速になるか、反対方向に加速します。したがって、この 2 番目の混合対流のケースでは、境界層で強いせん断が発生し、すぐに乱流状態に移行します。

3番目のケースは、3次元混合対流と呼ばれます。この流れは、浮力運動が強制運動に対して垂直に作用するときに発生します。このケースの例としては、水平流を伴う高温の垂直平板、例えば太陽熱中央受熱器の表面が挙げられます。自由流が強制方向に沿って運動を続ける一方で、プレートの境界層は上方向に加速します。この流れの場合、浮力が層流から乱流への遷移に大きな役割を果たし、強制速度が乱流を抑制します（層流化）^[4]

強制対流と自然対流の熱伝達係数を単純に足し算したり引いたりするだけでは、混合対流の正確な結果は得られません。また、熱伝達に対する浮力の影響は自由流の影響を上回ることもあるため、混合対流を純粋な強制対流として扱うべきではありません。したがって、問題固有の相関関係が必要です。実験データから、

${\displaystyle \mathrm {Nu} =(\mathrm {Nu} _{\mathrm {強制} }^{n}+\mathrm {Nu} _{\mathrm {自然} }^{n})^{1/ n}}$

面積平均熱伝達を記述することができる。^[7]水平方向の流れの中にある大きな垂直面の場合、フィッティングの詳細に応じて最適なフィッティングが提供される。^[7]${\displaystyle n=3.2}$${\displaystyle \mathrm {Nu} _{\mathrm {強制} }}$

強制対流と自然対流の組み合わせは、強制対流だけでは必要な熱をすべて放散できない超高出力デバイスでよく見られます。この時点で、自然対流と強制対流を組み合わせると、多くの場合、望ましい結果が得られます。これらのプロセスの例としては、原子炉技術や電子機器の冷却の一部が挙げられます。^[2]