58 bygningsfysikk
2.8.2 Konveksjon I et strømmende fluid (dvs. gass eller væske) foregår en energitransport ved at fluidet med sin indre y y T energi forflytter seg. Dette kalles gjerne adveksjon. ∞ u∞ Er det en temperaturforskjell til stede, vil energi i TemperaturHastighetstillegg overføres molekylært ved ledning mellom fordeling fordeling T(y) fluid med forskjellig temperatur. Den kombinerte u(y) effekten av disse varmetransportprosessene kaller vi konvektiv (dvs. medbringende) varmetransport. qconv Ts Dette vil bli behandlet mer inngående i kapittel 4.7. Vi skiller mellom to hovedgrupper konveksjon avhengig av drivkraften for strømningen: Når T(y) u(y) strømningen skyldes temperaturforskjeller, dvs. oppdriftskrefter, snakker vi om naturlig konveksjon Figur 2.8.6 Grensesjikt ved konvektiv varmeoverføring. (kalles også fri konveksjon eller egenkonveksjon). For eksempel i luftspalten i en forseglet vindusrute oppstår det en slik egenkonveksjon ved at luften varmes og stiger opp ved det innvendige glasset, og avkjøles og synker ned ved det kalde utvendige glasset. Dersom det er ytre påvirkninger, som f.eks. en pumpe, vifte eller vind, som er bestemmende for strømningen, snakker vi om tvungen eller påtvunget konveksjon. Eksempel på virkningen av tvungen konveksjon har vi når vi en vinterdag opplever at varmetapet fra ansiktet vårt øker kraftig når vindhastigheten øker. Avhengig av strømningssituasjonen skiller vi også mellom ytre strømning, når et ubegrenset fluid strømmer over en flate (for eksempel en veggoverflate mot uteluft), og indre strømning når fluidet er helt omsluttet av faste overflater (for eksempel i et vannrør eller en ventilasjonskanal). Fluidstrøm
I bygningsfysisk sammenheng er vi særlig interessert i konvektiv varmeoverføring mellom en overflate og et tilliggende fluid, for eksempel luft. Hvis overflaten og fluidet har forskjellig temperatur, vil vi få en varmeoverføring i grensesjiktet mellom disse. Betrakter vi en fluidstrøm med hastighet u∞ over en oppvarmet flate, se figur 2.8.6, vil gjensidig innvirkning resultere i et grensesjikt nærmest overflaten, hvor hastigheten varierer fra null ved flaten (y = 0) og ut til u∞ i fluidstrømmen (hastighetsgrensesjiktet). Formelt defineres tykkelsen δ av grensesjiktet som verdien av y hvor u = 0,99·u∞ . Tykkelsen av grensesjiktet er ikke konstant, men øker med økende avstand fra kanten hvor strømmen treffer flaten (δ øker med x). Vi vil også ha et grensesjikt hvor temperaturen varierer kontinuerlig fra overflatetemperaturen Ts ut til fluidtemperaturen u∞ (et termisk grensesjikt med tykkelse δt). Har flaten høyere temperatur enn fluidet, får vi en konvektiv overføring av varme til fluidet. Av erfaring vet vi at denne varmeoverføringen øker med økende fluidhastighet. Erfaring fra målinger har vist at innerst ved flaten (y = 0) er fluidhastigheten lik null. Fluidet «kleber» til flaten på grunn av viskøse effekter («no-slip condition» på engelsk). Innerst mot flaten vil derfor varmeoverføringen skje ved ledning alene. Fra målinger vet vi også at ikke bare fluidhastigheten u∞ , men også fluidegenskaper som dynamisk viskositet µ, termisk konduktivitet λ, densitet ρ og varmekapasitet cp har innvirkning på varmeoverføringen. I tillegg har overflatens ruhet og geometriske form, samt strømningstypen (laminær eller