Oberflächenkonvektion

Oberflächenkonvektion bezeichnet den Wärme- und Stoffaustausch zwischen einer festen Oberfläche und der sie umgebenden Flüssigkeit oder dem Gas, der durch Strömung in der Grenzschicht nahe der Oberfläche verursacht wird. Treibende Kräfte sind Temperatur- und Dichteunterschiede in der Flüssigkeit, die zu Auf- oder Abwärtsbewegungen der Strömung führen.

Es gibt natürliche Oberflächenkonvektion, bei der die Konvektion allein durch Auftriebskräfte infolge von Temperatur- und Dichteunterschieden entsteht. Erzwungene Konvektion erfolgt, wenn ein äußerer Fluss durch Ventilatoren, Pumpen oder äußere Strömung an der Oberfläche vorbeigetrieben wird; häufig treten beide Effekte zusammen auf.

Die Größe des Wärmeübergangs wird durch die Nusselt-Zahl Nu beschrieben, Nu = hL/k, wobei h der Wärmeübergangskoeffizient, L eine charakteristische Länge und k die Wärmeleitfähigkeit des Fluids ist. Natürliche Konvektion hängt stark von der Grashof-Zahl Gr und der Prandtl-Zahl Pr ab; bei erzwungener Konvektion spielen die Reynolds-Zahl Re und Pr eine Rolle. Für verschiedene Geometrien existieren empirische Korrelationen, die Nu als Funktion von Gr und Pr (natürlich) bzw. Re und Pr (gezwungen) angeben; der Übergang von laminar zu turbulent beeinflusst Nu stark.

Anwendungen finden sich in der Technik: Kühlung von Elektronikbauteilen, Wärmeübertragung in Wärmetauschern, Gebäudekühlung und -heizung, Solarthermie sowie chemische Verfahren. Die Wahl des Materials, der Oberflächengeometrie und der Orientierung der Oberfläche beeinflusst die Konvektion maßgeblich.

Wichtige Aspekte sind die Interaktion mit dem umliegenden Fluss und die Berücksichtigung von Oberflächengeometrie und -temperatur im Design, um eine ausreichende Wärmeabgabe sicherzustellen.