Konvektiota

Konvektio on lämpötilagradientin aiheuttamaa lämpösiirtoa nesteessä tai kaasussa, jossa lämpöenergia siirtyy liikkuvan fluidin mukana. Tiheyden lämpötilavaihtelu johtaa kiertoliikkeeseen: lämmin, kevyempi aine nousee, kylmempi laskeutuu tilalle ja muodostaa kierron, joka voi olla tasapainossa tai voimistua turbulenssiksi.

Konvektio jaetaan luonnolliseen (omatoimiseen) konvektioon sekä pakotettuun (Forced) konvektioon. Luonnollinen konvektio syntyy, kun lämmitetty pinta saa fluidsin kohoamaan buoyancy-voiman vaikutuksesta, esimerkiksi huoneen ilmavirta, kiehuva vesi tai maankuoren ja ilmakehän konvektio. Pakotettu konvektio syntyy, kun fluidiin vaikuttaa ulkoinen liikeaine, kuten tuuletin, pumppu tai virtausputki, esimerkiksi autokäyttöinen jäähdytys, kodinkoneiden jäähdytys tai elektroniikkalaitteiden jäähdytys.

Mekaaniset periaatteet ja tunnusluvut: konvektiivinen lämpösiirto mitataan konvektiivisena lämpösiirtokerroinena h, ja lämpö siirtyy muodossa q = h A ΔT. Yksiköt ja suhteet: Reynolds-numero Re kuvaa virtausta, Prandtl-numero Pr nesteen ominaisdifuusioita, Grashof-numero Gr buoyancyä ja viskositeettia, sekä Rayleigh-numero Ra = Gr · Pr konvektioon liittyvänä yhdistelmänä. Nusseltin luku Nu mittaa konvektiivisen siirron tehokkuutta suhteessa johtumiseen.

Sovellukset kattavat lämmitys ja jäähdytys huoneissa ja laitteissa, teolliset lämmöntuoton järjestelmät, sekä geofysiikan ja meteorologian ilmakehän ja valtamerien konvektiiviset prosessit. Esimerkkejä ovat Rayleigh–Bénard-konvektio ja boundary-layer -ilmiöt, jotka vaikuttavat sekä laminaari- että turbulenttiseen virtausuuteen. Konvektiosta riippuvat lämpösyötöt vaikuttavat suunnitteluun, energiatehokkuuteen ja ilmanlaatuun.