Convecção natural
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
gTs 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