En termodinámica de fluidos , la convección forzada combinada y la convección natural , o convección mixta , ocurre cuando los mecanismos de convección natural y convección forzada actúan juntos para transferir calor . Esto también se define como situaciones en las que interactúan tanto las fuerzas de presión como las fuerzas de flotación . [1] La contribución de cada forma de convección a la transferencia de calor está determinada en gran medida por el flujo , la temperatura , la geometría y la orientación. La naturaleza del fluido también influye, ya que el número de Grashof aumenta en un fluido a medida que aumenta la temperatura, pero se maximiza en algún punto para un gas . [2]
Los problemas de convección mixta se caracterizan por el número de Grashof (para la convección natural) y el número de Reynolds (para la convección forzada). El efecto relativo de la flotabilidad sobre la convección mixta se puede expresar mediante el número de Richardson :
Las respectivas escalas de longitud para cada número adimensional deben elegirse dependiendo del problema, por ejemplo, una longitud vertical para el número de Grashof y una escala horizontal para el número de Reynolds. Los pequeños números de Richardson caracterizan un flujo dominado por la convección forzada. Los números de Richardson superiores indican que el problema de flujo es pura convección natural y la influencia de la convección forzada puede despreciarse. [3]
Al igual que en el caso de la convección natural, la naturaleza de un flujo de convección mixta depende en gran medida de la transferencia de calor (ya que la flotabilidad es uno de los mecanismos impulsores) y los efectos de la turbulencia desempeñan un papel importante. [4]
Debido a la amplia gama de variables , se han publicado cientos de artículos sobre experimentos que involucran varios tipos de fluidos y geometrías. Esta variedad hace que sea difícil obtener una correlación exhaustiva y, cuando se obtiene, suele ser para casos muy limitados. [2] Sin embargo, la convección natural y forzada combinada se puede describir generalmente de tres maneras.
El primer caso es cuando la convección natural favorece la convección forzada. Esto se ve cuando el movimiento flotante tiene la misma dirección que el movimiento forzado, acelerando así la capa límite y mejorando la transferencia de calor. [5] Sin embargo, la transición a la turbulencia puede retrasarse. [6] Un ejemplo de esto sería un ventilador que sopla hacia arriba sobre una placa caliente. Dado que el calor aumenta naturalmente, el aire que se empuja hacia arriba sobre la placa aumenta la transferencia de calor.
El segundo caso es cuando la convección natural actúa en sentido contrario a la convección forzada. Considere un ventilador que fuerza el aire hacia arriba sobre un plato frío. [5] En este caso, la fuerza de flotación del aire frío naturalmente hace que caiga, pero el aire que es empujado hacia arriba se opone a este movimiento natural. Dependiendo del número de Richardson, la capa límite en la placa fría muestra una velocidad menor que la corriente libre o incluso acelera en la dirección opuesta. Por lo tanto, este segundo caso de convección mixta experimenta un fuerte cizallamiento en la capa límite y pasa rápidamente a un estado de flujo turbulento.
El tercer caso se denomina convección mixta tridimensional. Este flujo ocurre cuando el movimiento flotante actúa perpendicular al movimiento forzado. Un ejemplo de este caso es una placa plana vertical caliente con un flujo horizontal, por ejemplo la superficie de un receptor central solar térmico. Mientras la corriente libre continúa su movimiento en la dirección impuesta, la capa límite en la placa acelera hacia arriba. En este caso de flujo, la flotabilidad juega un papel importante en la transición laminar-turbulenta, mientras que la velocidad impuesta puede suprimir la turbulencia (laminarización) [4]
Simplemente sumar o restar los coeficientes de transferencia de calor para la convección forzada y natural producirá resultados inexactos para la convección mixta. Además, como la influencia de la flotabilidad en la transferencia de calor a veces incluso excede la influencia de la corriente libre, la convección mixta no debe tratarse como convección forzada pura. En consecuencia, se requieren correlaciones específicas del problema. Los datos experimentales han sugerido que
puede describir la transferencia de calor promedio del área. [7] Para el caso de una gran superficie vertical en un flujo horizontal, se proporciona el mejor ajuste dependiendo de los detalles de cómo se instala. [7]
La convección natural y forzada combinada se ve a menudo en dispositivos de muy alta potencia de salida donde la convección forzada no es suficiente para disipar todo el calor necesario. En este punto, combinar la convección natural con la convección forzada a menudo dará los resultados deseados. Ejemplos de estos procesos son la tecnología de reactores nucleares y algunos aspectos de la refrigeración electrónica. [2]
