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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

对流是传统转移由于流体的散装运动。例如，液体水的流动传递溶解在水中的分子或离子。类似地，空气中存在的空气传递分子，包括浓缩物种（例如，氧气和氮气）和稀物种（例如二氧化碳）。注意，传热中的术语对流通常是指通过传导和平流的传热组合，在那里，前进是指由于散装流体运动引起的热传递。在运输现象领域，以及在本文中，对流是平流的代名词。

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的定义。

由于对流而导致的点浓度的变化通过将上述转换成质量连续性等式：

^（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，一个时间依赖的一阶部分微分方程。

对流作为集中剖面的位移

通过注意到对流方程的确切解决方案的存在，获得对对流后果的良好理解，给出了某种初始空间依赖的浓度分布，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。如果不是，则浓度曲线仍未置换。因此，与扩散相反，在高浓度和低浓度的区域之间没有质量不可逆转地传输。在这种意义上，流量可以逆转以朝着相反的方向进入，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米^-1在里面X- 这对应于2米的左右位移。

对流和扩散

由于化学物种实际上具有非零扩散率，因此解决了对流扩散方程是正常的，其中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，仍可能在温度梯度存在下仍然出现浮力驱动的流动。对于在环境条件下大于几毫升的流体量，对流电流通常持续动态，而不会达到稳态。这意味着，即使没有强迫对流适用，对对流将在实践中有助于大规模运输。在密度变化由温度变化引起的情况下，该效果被称为自然对流那自由对流，或简单浮力对流。

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

由于散装流体运动，对流是大众运输。除了微流体装置外，对流是达到有效大规模运输所必需的，因为对人体长度的扩散是一个非常缓慢的过程。大多数化学反应堆涉及某种流动，在湍流的情况下，通过对流的大规模运输对于混合以及散装运输特别有效。

虽然对流的方程简单写下来，但除了最简单的几何形状之外，它们不能用手解决。数字建模对于了解真实系统中对流和扩散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