Convecção natural

CONVECÇÃO NATURAL OU LIVRE
Convecção natural ocorre quando uma força de campo atua sobre um fluido no qual existem gradientes de massa específica. O efeito líquido é uma força de empuxo, que induz correntes de convecção livre. A presença de um gradiente de massa específica do fluido, apenas, não garante a existência de correntes de convecção livre. É necessário que as condições sejam instáveis, o que ocorre quando a massa específica decresce na direção da força gravitacional.

Na convecção livre, as forças de inércia e de empuxo atuam simultaneamente, mas a principal força, que mantém o escoamento, é a força de empuxo. Temos: empuxo: g

   g   
1    1  1             T p  T  T  T

coeficiente de expansão volumétrica:

A maneira como  é obtido depende do fluido. Para um gás ideal, =P/RT e β=1/T (T em kelvin). Para líquidos e gases não ideais, consultar tabelas termodinâmicas. O adimensional representativo para fenômenos de convecção natural é o número de Grashof, GrL:

GrL 

gTs  T  L3



2

onde g é a aceleração gravitacional, β é o coeficiente de expansão volumétrica do fluido, υ é a viscosidade cinemática do fluido, L é uma dimensão característica, Ts e T∞ são respectivamente as temperaturas da superfície e do fluido.

 Este adimensional desempenha na convecção livre o papel de Reynolds na convecção forçada.  Indica a razão entre as forças de empuxo e forças viscosas atuando no fluido. Para efeitos comparáveis de convecção livre e forçada, que devem ser considerados quando a razão (GrL/ReL2) 1; NuL=f(ReL,GrL,Pr).  Se GrL/ReL2 1, os efeitos da convecção forçada podem ser desprezados e NuL=f(GrL,Pr).

 As equações empíricas para estimativa de h são geralmente da forma: g T s  T   L
3

Nu L 

hL

k

 C Ra L n onde Ra L  Gr L Pr 

f



onde RaL, o produto de Pr e Gr, é o número de Rayleigh; C e n são coeficientes ajustados a partir de dados