对流

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对流是单相或多相流体流动,由于材料特性的不均匀性和体积力对流体的综合影响而自发发生,最常见的是密度和重力(见浮力)。当对流的原因不明确时,可以假设是由于热膨胀和浮力的影响而产生的对流。对流也可能发生在颗粒可以流动的软固体或混合物中。 对流可能是瞬态的(例如当油水的多相混合物分离时)或稳态(参见对流单元)。对流可能是由于重力、电磁力或虚构体力引起的。通过自然对流进行的热传递在地球大气、海洋和地幔的结...
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对流

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对流是单相或多相流体流动,由于材料特性的不均匀性和体积力对流体的综合影响而自发发生,最常见的是密度和重力(见浮力)。 当对流的原因不明确时,可以假设是由于热膨胀和浮力的影响而产生的对流。 对流也可能发生在颗粒可以流动的软固体混合物中。

对流可能是瞬态的(例如当油水的多相混合物分离时)或稳态(参见对流单元)。 对流可能是由于重力、电磁力或虚构体力引起的。 通过自然对流进行的热传递在地球大气、海洋和地幔的结构中发挥着重要作用。 大气中离散的对流单元可以通过云来识别,更强的对流导致雷暴。 自然对流也在恒星物理学中发挥作用。 对流通常根据引起对流的主要影响进行分类或描述,例如 热对流。

在大多数固体中不会发生对流,因为既不会发生大电流流动,也不会发生物质的显着扩散。 颗粒对流是颗粒材料而不是流体中的类似现象。平流是由速度而不是热梯度产生的流体运动。对流传热是有意使用对流作为传热方法。

历史

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在 1830 年代,在布里奇沃特论文中,对流一词在科学意义上得到证实。 在 William Prout 的论文 VIII 中,在化学书中,它说:

[...] 这种热运动以三种方式发生,一个普通的壁炉很好地说明了这一点。 例如,如果我们将温度计直接放在火前,它很快就会开始上升,表明温度升高了。 在这种情况下,热量通过称为辐射的过程穿过火和温度计之间的空间。 如果我们将第二个温度计与炉排的任何部分接触,并远离火的直接影响,我们会发现这个温度计也表示温度升高; 但这里的热量一定是通过炉排的金属传播的,这就是所谓的传导。 最后,在烟囱中放置第三个温度计,远离火的直接影响,也将显示温度显着升高; 在这种情况下,一部分空气通过并靠近火源,被加热,并将从火中获得的温度带到烟囱。 目前在我们的语言中还没有一个术语用来表示这种热传播的第三种模式。 但我们冒昧地为此目的提出术语对流,[在脚注中:[拉丁] Convectio,携带或传送],它不仅表达了主要事实,而且与其他两个术语非常一致。

后来,在同一篇论文 VIII 中,在气象学书中,对流的概念也被应用于热量通过水传递的过程。

术语

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今天,对流这个词在不同的科学或工程背景或应用中有不同但相关的用法。

流体力学中,对流具有更广泛的意义:它是指流体在密度(或其他性质)差异的驱动下的运动。

热力学中,对流通常是指通过对流进行的热传递,其中前缀变体 Natural 对流用于区分流体力学概念的对流(在本文中介绍)与对流传热。

一些导致表面上类似于对流单元的效果的现象也可能(不准确地)称为对流形式,例如 热毛细管对流和颗粒对流。

机制

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对流可能发生在比几个原子大的所有尺度的流体中。 有多种情况会产生对流所需的力,从而导致不同类型的对流,如下所述。 从广义上讲,对流是由于流体内的体力作用而产生的,例如重力。

对流

自然对流

自然对流是一种流动,液体(如水)或气体(如空气)的运动,其中流体运动不是由任何外部源(如泵、风扇、抽吸装置等)产生的,而是由 流体的某些部分比其他部分重。 在大多数情况下,这会导致自然循环,即系统中流体随着重力和可能的热能变化而连续循环的能力。 自然对流的驱动力是重力。 例如,如果在较热的密度较低的空气之上有一层密度较低的冷空气,重力会更强烈地拉动顶部密度较大的层,因此它会下降,而较热的密度较低的空气会上升以取代它的位置。 这会产生循环流动:对流。

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