convection, radiation (대류, 복사 실험) 예비 레포트

1. 자연 대류
유체가 가열되면 밀도가 감소하게 되고, 이내 지구의 중력장 안에서 중력과 반대방향으로 부력(buoyancy force)을 받게 된다. 이로 인해 유동이 발생하게 되고 이것이 자연 대류이다. 반대로 유체가 냉각되면 밀도가 증가하게 되어 반대로 중력방향으로 이동하게 될 것이다. 이러한 자연 대류는 회전하는 기기에서 중력을 대신한 원심력이 존재하는 상황에서도 밀도차이에 의한 원심부력으로도 발생될 수 있으며, 혼합 유체 내의 밀도차에 의해서도 발생할 수 있다.
자연 대류에 의한 유동의 속도는 강제 대류에 비해 상대적으로 작아서 커야 2 m/s 정도에 지나지 않는다. 그러므로 열전달계수도 예로서 기체의 경우 5 W/m2K를 넘지 않는 정도이다. 자연 대류에 있어서 명확한 특성 속도가 없기 때문에 강제 대류에서 사용했던 레이놀즈수는 더 이상 사용되지 않고, 대신 그라숍수(Grashof number) 또는 레일레이수(Rayleigh number)가 유동의 특성을 결정짓는 무차원수로 사용된다.
내부 유동아래 그림은 내부에서 자연 대류가 일어날 수 있는 구조를 보여 주고 있다. 단열작용을 하는 이중벽과 이중창의 공기층은 자연 대류가 일어날 경우, 벽과 창을 가로지르는 열전달이 늘어나게 한다. 그러므로 이러한 문제 해결을 위해 근래에는 공기층 대신 진공층을 사용한 이중창 제조 기술이 일본 등의 선진국에서 선보이고 있다. 태양열 집열기는 자연 대류 감소를 위해 칸막이를 설치하기도 한다.
이런 내부 구조에서의 자연 대류는 아래 그림과 같이 가열면 온도, TH왿� 상대적으로 온도가 낮은 면의 온도, TC의 차이 TH-TC를 기준 온도차이로 삼는다. 이를 사용해 평균열전달계수를 정의하거나, 유동 특성을 구분하는 레일레이수에 적용시킨다.
레일레이수는 특성길이를 가열면과 맞은편 면의 간격, L로 삼으면,
아래 그림과 같이 TH-TC의 크기가 어떤 기준을 넘지 못하면 유체는 정체되고 오직 전도에 의해서만 상, 하면사이의 열전달이 일어난다. 이 때 위의 열전달계수 정의식을 이용하게 되면, 전도열전달이 q=k/L(TH-TC)임을 이용 하면된다.