急～自然對流和強制對流

Question

請問各位大大～

小女子有一點疑惑～

我知道自然對流是因為密度不同造成的浮力變化～

以及強制對流是因為外力驅動而產生的～那...

1.強制對流裡～自然對流存在嗎～

2.那在什麼條件或強況下～自然對流又可忽略呢～

謝謝大家～

Answer 1

圖片參考：http://home.graffiti.net/november_kimo/convection3.gif

以上圖為例﹐顯示在屋子內的左下角有一部暖器機﹐通過暖氣機的空氣因為吸收了熱量而膨脹變輕產生浮力往上升﹐上升中熱量漸漸流失而變冷﹔當熱空氣離開暖氣機時造成暖氣機內部氣壓降低於是地面的冷空氣被吸入暖氣機﹐地面的冷空氣被吸入暖氣機時又造成地面的氣壓降低﹐於是上面的冷空氣下降來填補地面的空間﹐如此週而復始﹐這是自然對流。
1.強制對流裡～自然對流存在嗎?

分析一﹕
在圖中的例子﹐空氣對流的路徑方向是順時鐘方向轉動﹐如果我們以風扇順著對流路徑的方向吹而且假設風扇不會造成亂流﹐就是一種正向外力介入﹐加速對流﹐此時的對流速度當然是風扇的速度加上自然對流的速度﹐此時的自然對流仍然存在﹐因為只要暖氣機的內外有溫差﹐造成對流的動力就存在﹔只要室內的空氣是下熱上冷﹐造成對流的動力就存在﹐因此當電扇的風加入時﹐整體對流是這兩股力量﹐自然對流與強制對流之和。就如同甲乙兩個人同推著一台車﹐甲一個人推時﹐車子移動得很慢﹐如果有乙來幫著推移動速度就會加快﹐只要甲還繼續以同樣的力量推﹐就對車子移動速度的貢獻不會因為乙的加入而不存在。同理﹐自然對流不會因為強制對流的介入而消失。
分析二﹕
如果我們以風扇逆著對流路徑的方向吹而且假設風扇不會造成亂流﹐就是一種負向外力介入﹐是否減緩了對流的效果﹐要依風速而定﹐若風速小於或等於自然對流﹐此時的對流速度是自然對流的速度減去風扇的速度﹐也就是總速度比自然對流的速度低﹐或零對流。只要對流的速度不為零﹐自然對流就存在﹐只是速度被逆向的電扇風給削弱了。若對流的速度為零﹐自然對流才不存在(註)。
分析三﹕
如果逆向風速大於自然對流速度﹐此時的對流速度是風扇的速度減去自然對流的速度﹐但對流方向轉為逆時針進行﹐也就是冷空氣從暖氣機的上頭進入﹐熱空氣從暖氣機的下方出去﹐此時的自然對流仍然發揮作用﹐因為室內的空氣是下熱上冷﹐產生自然對流的動力﹐因此當電扇的風以超過自然對流的速度逆向加入時﹐整體對流速度要比自然對流快但比分析二風扇順向加入時的兩股力量之和來得低﹐因為﹐部份電扇風力被暖氣機內熱氣上升的動力所抵消。
註﹕以上的分析純粹是為了方便概念的闡述而將情況予以簡化﹐在現實環境中﹐對流的路徑遠比圖例複雜﹐而且任何外力的介入都是會產生亂流而無法如此簡化分析﹐因此﹐分析二中的「若對流的速度為零﹐自然對流才不存在」就未必為真﹐因為空氣並非限制在密閉的管狀通道內流動﹐實際上還要看風扇放在對流路徑中的什麼位置上而定。不過大體而言﹐只要一個空間內有溫差存在﹐自然對流必然存在﹐即使有外力介入﹐不論這個外力的目的是要增加或抑制自然對流﹐都難以完全消滅自然對流﹐因為自然對流即使在大範圍內被阻止但在局部依然存在。
2.那在什麼條件或強況下～自然對流又可忽略呢?
這一題很難回答﹐因為不知道你問這個問題的目的或動機是什麼﹐而且「可以忽略與否」﹐這不算是一個物理題目﹐而是標準訂定的問題﹐價值的取捨﹐感受的問題﹐只要你不在乎就可以忽略﹔比如﹐在工程計算上有些10%的物理量也可以忽略﹐但在黃金的買賣上﹐0.01%的誤差也難以忽略﹐所以這純粹是人自己所設定的標準。可否忽略要看你的目的﹐以對流為例﹐如果強制對流可以達到自然對流20倍的速度﹐自然對流只佔5%以下的份量﹐如果因此造成的結果不在乎這5%的增減﹐就是「可以忽略」。不過不論你忽略與否﹐這5%的貢獻卻事實存在。

Answer 2

強制對流裡可以存在自然對流。強制對流和自然對流是對流體流動的描述。所以要看流體流動時，主要是受到外力驅動為主或者因為密度不同所形成。
一般強制對流和自然對流相比，一般情形下其外力大多大於密度差的浮力。