多物理环状体

流体流量，传热和质量传输对流

由于流体的批量运动而导致的传质

对流是传质由于液体的大量运动。例如，液态水的流动运输溶解在水中的分子或离子。同样，空气的流动运输在空气中存在的分子，包括浓缩物种（例如氧和氮）和稀释物种（例如二氧化碳）。请注意，热传递中的对流通常是指通过传导和对流传热的组合，在此，在块状流体运动引起的热传递。在运输现象和本文中，对流是对流的代名词。

下面的动画说明了流体区域的对流，其中某种化学物种被浓缩（以红色表示）：

_{从左到右移动的流动中化学物种（用红色表示）的对流。}

描述对流

经历传质的分子的速度既包括对流，又包括扩散零件。我们将对流理解为由于所有分子的平均速度而导致的质量传输，而扩散则是由于瞬时变化的单个分子速度随机变化而导致的质量传输，而流体的平均速度则是整个流体的平均速度。

因此，通过合适的参考速度选择，我们可以识别扩散通量和对流通量。对于稀释物种转运，其中一种组分（例如溶剂或载气）主导了系统的动量，因此将参考速度作为主要成分的参考速度是正常的。

因此，大量流体的运动除了由于扩散而导致的通量外，还会造成稀释物种的通量。此通量可以如下写入：

^（1）

在哪里C_一世是物种浓度（mol m^-3） 和你是流体速度（m s^-1）。

对流通量矢量与流体速度U成正比，因此它的作用与该速度相同。这是因为对流是由于整体流体运动而导致的质量运输。对于稀释物种，该速度是溶剂或载气的速度。为了集中物种运输，需要更仔细的散装流体速度定义。

由于对流而在某个点的浓度变化之后，将上述代替到质量连续性方程式：

^（2）

第一个学期（包括∇夕你）由于整个流体的质量保存而导致不可压缩的流体流量为零。结果，我们看到，只有在浓度梯度的存在下，才能通过对流改变集中度：

^（3）

这是对流方程，是时间依赖的一阶部分微分方程。

对流作为浓度轮廓的位移

通过注意对流方程的精确解决方案的存在，可以很好地理解对流的后果，鉴于一定的初始空间依赖性浓度曲线，C₀（（r）和均匀的速度，你：

^（4）

在这里，我们假设对流质量不会遇到墙壁。当然，我们通常不会在现实中完全遇到完全统一的流动，但是我们通常可以将流视为本地统一。

这个简单的方程式阐明了对流的后果：根据某些浓度分布在太空中的物种的质量，根据速度置换了。你。如果没有，浓度曲线保持不变。因此，与扩散相反，高浓度和低浓度区域之间没有不可逆转的质量运输。从某种意义上说，流动可以逆转以朝相反的方向发展，因此可以通过对流进行大规模运输。

在下面的图像中，我们可以看到行动中的对流。对流2秒后，浓度曲线已被矢量取代r =uδt。自从你是1 m s^-1在里面X- 方向，这对应于2米的从左到右位移。

对流和扩散

由于化学物质在现实中具有非零的扩散率，因此解决对流扩散方程是正常的扩散包括对大众运输的对流贡献：

^（5）

考虑到相关的长度和时间尺度，可以在对流扩散方程。

自然对流

即使在没有强制流动的情况下，由于密度变化和重力的力，浮力驱动的流动仍可能出现。对于在环境条件下大于少数毫升的流体，对流电流通常会动态持续存在，而无需达到稳态。这意味着，在实际上，即使没有强制对流，对流也会有助于大众运输。如果密度变化是由温度变化引起的，则该作用称为自然对流，，，，自由对流，或者简单浮力对流。

当将糖放入我们的茶或咖啡中时，我们会遇到这种效果，温度和成分的变化会导致密度梯度。尽管最好通过用勺子搅拌诱导强迫对流，但与仅扩散理论所预测的相比，糖在整个液体中仍将达到均匀的浓度。另一个明显的效果是由海洋中盐度梯度引起的对流，通常称为引力对流。

概括

对流是由于散装流体运动而导致的质量运输。除了微流体设备外，需要对流才能实现有效的质量运输，因为对人长度尺度的扩散是一个非常缓慢的过程。大多数化学反应器涉及某种流动，在湍流的情况下，对流的大量运输对于混合和散装运输特别有效。

尽管对流方程式很容易写下来，但除了最简单的几何形状外，它们不能用手解决。数值建模对于理解对流和扩散在实际系统中的相互作用至关重要。

发布：2015年1月15日
最后修改：2018年3月21日