伝熱/対流

対流

層流と乱流

層流: レイノルズ数が低いことによって決定される、滑らかで中断のない流れ。ニュートン流体のレイノルズ数は以下のように定義されます：

$N_{Re}={\frac {Dv\rho }{\mu }}$

ここでDは特性直径（円筒管の直径など）、vは流体速度、$\rho$は密度、$\mu$は（動粘性）粘度です。既知の情報に応じて、体積流量、質量流量などに基づいて、他にもいくつかの書き方があります。円筒管内の流れは、レイノルズ数が2100未満の場合に層流となります。 管内の層流では、速度プロファイルは放物線状です；最大速度は中心で発生し、管壁では速度はゼロになります。

乱流

これはランダムな方向への動きによって特徴付けられる流れで、その結果、すべての流れが相殺され、平均的には管内のどこでも速度がほぼ一定になります。乱流はレイノルズ数が4000を超えるときに発生します。

遷移領域

乱流と層流の間の領域（$2100<N_{Re}<4000$）では、経験的な実験以外には流れについて多くを言うことができません。この領域ではパターンは一般的に線形ではなく、明確なパターンも持ちません。

無次元パラメータ

レイノルズ数$N_{Re}$に加えて、対流に関係する相関に重要なその他の無次元パラメータがいくつかあります。これらにはプラントル数、ヌッセルト数、グラスホフ数が含まれます。プラントル数は、材料の3つの特性（熱容量、粘度、熱伝導率）の無次元の組み合わせです：

$N_{Pr}={\frac {C_{p}\mu }{k}}$

これは材料特性なので、プラントル数は材料が置かれるシステムではなく、材料が保持される条件（温度と圧力）にのみ依存します。 ヌッセルト数は、伝導と比較して対流がどれほど重要かを示します。以下のように定義されます：

$N_{Nu}={\frac {hD}{k}}$

プラントル数とは対照的に、ヌッセルト数は熱伝達係数と特性長さを含み、これらはどちらも使用するシステムの種類に依存するため、最大の精度を得るにはこの数値を各システムで個別に評価する必要があります（または類似のシステムの推定値を使用できます）。 最後に、グラスホフ数は一般的に自然対流（周囲の流体が対流によって熱を受け取るまたは失う物体のごく近くを除いて比較的静止している）のモデル化に使用される無次元パラメータです。この数は以下のように定義されます：

$N_{Gr}={\frac {L^{3}{\rho }^{2}g{\beta }{\Delta }T}{\mu ^{2}}}$

強制対流とは異なり、周囲環境が高速でないため、自然対流のモデリングではレイノルズ数の代わりに使用されます。

外部流

外部流とは、表面上の流れを意味します。

内部流

閉じた中空の物体内部の流れ。断面は円形、長方形、またはその他の形状であることがあります。

自由対流

自然対流とも呼ばれます。接触する二つの媒体間の温度差から生じます。