Convecção Natural e Mista
Na convecção natural, o movimento do fluido é devido às forças de empuxo no seu interior, enquanto na convecção forçada o movimento é imposto externamente. O empuxo é devido à presença combinada de um gradiente de massa especifica no fluido e de uma força de corpo que é proporcional à massa especifica. Na prática, a força de corpo é geralmente gravitacional, embora ela possa ser uma força centrífuga em equipamentos onde há rotação de fluidos ou uma força de Coriolis nos movimentos rotacionais na atmosfera e nos oceanos. Existem também várias formas nas quais um gradiente de massa específica pode aparece em um fluido, mas, no caso mais usual, ele é devido à presença de um gradiente de temperatura (Incropera et al, 2008).
A presença de um gradiente de massa específica em um fluido em um campo gravitacional não assegura a existência de correntes de convecção natural. Considere, por exemplo, um fluido confinado entre duas superfícies horizontais onde a temperatura da superfície inferior é maior que a temperatura da superfície superior. Se essa diferença de temperatura for suficientemente pequena, a transferência de calor irá ocorrer basicamente por condução, originando um perfil de temperatura linear ao longo do fluido. No entanto, devido ao coeficiente de expansão térmica, o fluido com uma maior temperatura (próximo à superfície inferior) irá possuir uma menor densidade que o fluido com menor temperatura. Quando a diferença de temperatura entre as superfícies atingir um valor crítico, o sistema irá se tornar instável e a estratificação de densidade irá originar a movimentação do fluido na forma de uma célula de convecção. A partir deste momento a transferência de calor irá ocorrer também por convecção. Este tipo de instabilidade (conhecida como instabilidade de Rayleigh-Bénard) é possivelmente uma das mais frequentemente encontradas na natureza, podendo ser observada, por exemplo, na convecção do manto e atmosfera terrestre, além de possuir diversas aplicações na área de engenharia, como em trocadores de calor, processos de solidificação, reatores nucleares e sistemas de armazenamento de energia solar.
Exemplo: Estado oscilatório auto-sustentado na convecção natural no interior de uma cavidade.
Publicações na área:
FONTANA, É.; CAPELETTO, C. A.; SILVA, A.; MARIANI, V. C.. Three-dimensional analysis of natural convection in a partially-open cavity with internal heat source. International Journal of Heat and Mass Transfer, v. 61, p. 525-542, 2013;
DA SILVA, A.; FONTANA, É.; MARIANI, V. C.; MARCONDES, F. Numerical investigation of several physical and geometric parameters in the natural convection into trapezoidal cavities. International Journal of Heat and Mass Transfer, v. 55, p. 6808-6818, 2012;
Fontana, Éliton; Silva, Adriano da; Mariani, Viviana Cocco. Natural convection in a partially open square cavity with internal heat source: An analysis of the opening mass flow. International Journal of Heat and Mass Transfer, v. 54, p. 1369-1386, 2011;
Fontana, Éliton.; Silva, Adriano; Mariani, Viviana Cocco; Marcondes, Francisco. The Influence of Baffles on the Natural Convection in Trapezoidal Cavities. Numerical Heat Transfer. Part A, Applications, v. 58, p. 125-145, 2010.