संयुक्त बलपूर्वक और प्राकृतिक संवहन

द्रव थर्मोडायनामिक्स में, संयुक्त बलपूर्वक संवहन और प्राकृतिक संवहन, या मिश्रित संवहन, तब होता है जब प्राकृतिक संवहन और बलपूर्वक संवहन तंत्र ऊष्मा स्थानांतरित के लिए साथ कार्य करते हैं। इसे उन स्थितियों के रूप में भी परिभाषित किया जाता है जहां दबाव बल और उत्प्लावन बल दोनों परस्पर क्रिया करते हैं। इस प्रकार से संवहन का प्रत्येक रूप ऊष्मा स्थानांतरण में कितना योगदान देता है यह अधिक सीमा तक द्रव की गतिशीलता, तापमान, ज्यामिति और अभिविन्यास द्वारा निर्धारित होता है। जिससे द्रव की प्रकृति भी प्रभावशाली होती है, क्योंकि तापमान बढ़ने पर द्रव में ग्रासॉफ संख्या बढ़ जाती है, किन्तु गैस के लिए कुछ बिंदु पर यह अधिकतम हो जाती है।

विशेषता

इस प्रकार से मिश्रित संवहन समस्याओं की विशेषता ग्रासॉफ संख्या (प्राकृतिक संवहन के लिए) और रेनॉल्ड्स संख्या (बलपूर्वक संवहन के लिए) है। जिससे मिश्रित संवहन पर उछाल का सापेक्ष प्रभाव रिचर्डसन संख्या के माध्यम से व्यक्त किया जा सकता है:

$\mathrm {Ri} ={\frac {\mathrm {Gr} }{\mathrm {Re} ^{2}}}$

और प्रत्येक आयामहीन संख्या के लिए संबंधित लंबाई के माप को समस्या के आधार पर चुना जाना चाहिए, इस प्रकार से उदाहरण के लिए ग्रासॉफ संख्या के लिए ऊर्ध्वाधर लंबाई और रेनॉल्ड्स संख्या के लिए क्षैतिज माप है। इस प्रकार से छोटे रिचर्डसन संख्याएं बलपूर्वक संवहन के प्रभुत्व वाले प्रवाह की विशेषता बताती हैं। रिचर्डसन की संख्या $\mathrm {Ri} \approx 16$ अधिक संकेत मिलता है कि प्रवाह समस्या शुद्ध प्राकृतिक संवहन है और बलपूर्वक संवहन के प्रभाव को उपेक्षित किया जा सकता है।

इस प्रकार प्राकृतिक संवहन की तरह, मिश्रित संवहन प्रवाह की प्रकृति ऊष्मा स्थानांतरण पर अत्यधिक निर्भर होती है (क्योंकि उछाल ड्राइविंग तंत्र में से है) और अशांति प्रभाव महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

स्तिथि

अतः वेरिएबल और विशेषता (अनुसंधान) की विस्तृत श्रृंखला के कारण, विभिन्न प्रकार के तरल पदार्थों और ज्यामिति से जुड़े प्रयोग के लिए सैकड़ों पेपर प्रकाशित किए गए हैं। यह विविधता व्यापक सहसंबंध प्राप्त करना कठिन बना देती है, और जब ऐसा होता है, तो यह सामान्यतः अधिक सीमित स्तिथियों के लिए होता है। चूंकि, संयुक्त बलपूर्वक और प्राकृतिक संवहन को सामान्यतः तीन विधियों में वर्णित किया जा सकता है।

सहायक प्रवाह के साथ द्वि-आयामी मिश्रित संवहन

इस प्रकार से प्रथम-आयामी स्तिथि तब होती है जब प्राकृतिक संवहन बलपूर्वक संवहन में सहायता करता है। किन्तु यह तब देखा जाता है जब उत्प्लावन गति, सशक्त गति के समान दिशा में होती है, इस प्रकार सीमा परत में तीव्रता आती है और ऊष्मा स्थानांतरण में वृद्धि होती है। चूंकि, अशांति में परिवर्तन में देरी हो सकती है। इसका उदाहरण ऊष्मा प्लेट पर ऊपर की ओर उड़ने वाला पंखा होता है। चूंकि ऊष्मा स्वाभाविक रूप से बढ़ती है, और वायू को प्लेट के ऊपर की ओर धकेलने जाता है जिससे ऊष्मा का स्थानांतरण बढ़ जाता है।

विपरीत प्रवाह के साथ द्वि-आयामी मिश्रित संवहन

अतः द्वि-आयामी स्तिथि तब होती है जब प्राकृतिक संवहन, बलपूर्वक संवहन के विपरीत विधि से कार्य करता है। और शीत प्लेट पर वायू को ऊपर की ओर धकेलने वाले पंखे पर विचार किया जाता है। इस स्तिथि में, शीत वायू का उत्प्लावन बल स्वाभाविक रूप से इसके गिरने का कारण बनता है, किन्तु ऊपर की ओर सशक्त होने वाली वायू इस प्राकृतिक गति का विरोध करती है। और रिचर्डसन संख्या के आधार पर, शीत प्लेट की सीमा परत मुक्त धारा की तुलना में कम वेग प्रदर्शित करती है, या विपरीत दिशा में भी तीव्र हो जाती है। इसलिए यह द्वतीय मिश्रित संवहन स्तिथि सीमा परत में सशक्त समाकर्तित्र का अनुभव करता है और शीघ्रता से अशांत प्रवाह स्थिति में परिवर्तित हो जाता है।

त्रि-आयामी मिश्रित संवहन

इस प्रकार से तृतीय स्तिथि को त्रि-आयामी मिश्रित संवहन कहा जाता है। यह प्रवाह तब होता है जब उत्प्लावन गति, बलपूर्वक गति के लंबवत कार्य करती है। इस स्तिथि का उदाहरण जैसे सौर तापीय केंद्रीय रिसीवर की सतह क्षैतिज प्रवाह वाली ऊष्मा, ऊर्ध्वाधर समतल प्लेट है। जबकि मुक्त धारा निर्धारित दिशा में अपनी गति प्रवाहित रखती है, अतः प्लेट पर सीमा परत ऊपर की दिशा में तीव्र हो जाती है। इस प्रवाह के स्तिथि में, उछाल लामिना-अशांत संक्रमण में प्रमुख भूमिका निभाता है, जबकि लगाया गया वेग अशांति (लैमिनराइजेशन) को दबा सकता है

कुल ताप अंतरण की गणना

सरलता से बलपूर्वक और प्राकृतिक संवहन के लिए ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक को जोड़ने या घटाने से मिश्रित संवहन के लिए त्रुटि परिणाम प्राप्त होते है। इसके अतिरिक्त, चूंकि ऊष्मा स्थानांतरण पर उछाल का प्रभाव कभी-कभी मुक्त धारा के प्रभाव से भी अधिक हो जाता है, इसलिए मिश्रित संवहन को शुद्ध बलपूर्वक संवहन के रूप में नहीं माना जाना चाहिए। परिणामस्वरूप, समस्या-विशिष्ट सहसंबंध आवश्यक हैं। इस प्रकार से प्रायोगिक डेटा ने यह सुझाव दिया है

$\mathrm {Nu} =(\mathrm {Nu} _{\mathrm {forced} }^{n}+\mathrm {Nu} _{\mathrm {natural} }^{n})^{1/n}$

अतः क्षेत्र-औसत ताप अंतरण का वर्णन कर सकता है। इस प्रकार से क्षैतिज प्रवाह में उच्च, ऊर्ध्वाधर सतह के स्तिथि में $n=3.2$ ने $\mathrm {Nu} _{\mathrm {forced} }$ को कैसे विवरण के आधार पर सर्वोत्तम आवेश प्रदान किया गया है।

अनुप्रयोग

चूंकि संयुक्त बलपूर्वक और प्राकृतिक संवहन प्रायः अधिक उच्च-शक्ति-आउटपुट उपकरणों में देखा जाता है जहां बलपूर्वक संवहन सभी आवश्यक ऊष्मा को नष्ट करने के लिए पर्याप्त नहीं है। इस बिंदु पर, प्राकृतिक संवहन को बलपूर्वक संवहन के साथ संयोजित करने से प्रायः वांछित परिणाम मिलते है। इन प्रक्रियाओं के उदाहरण परमाणु रिएक्टर प्रौद्योगिकी और इलेक्ट्रॉनिक शीतलन के कुछ भाग हैं।