Конвекционный и конденсационный газовый котел: в чём отличие

Каждый хочет приобрести отопительную установку одновременно недорогую, экономичную и эффективную. Полное представление о конкретном изделии дают не только его характеристики, уровень автоматизации, но и принцип функционирования. Конденсационные газовые котлы появились у нас недавно, а потому мало кто знаком с их особенностями. В чем отличие, стоит ли их предпочесть конвекционным аналогам (теплогенераторам традиционного исполнения) – вопросы, напрямую влияющие на выбор оптимальной модели.

Визуально отопительные газовые установки двух групп неотличимы. Их устройство практически идентично: корпус, горелка, теплообменник, камера сгорания и ряд иных конструктивных элементов. Однако реализованное в конденсационных котлах инженерное решение несколько изменило технологию нагрева воды. Это и дает ряд преимуществ таким моделям.

Принцип работы

Конвекционные котлы

Повышение температуры теплоносителя для отопительной системы и поддержание ее на требуемом уровне, приготовление горячей воды для собственных нужд (ГВС) обеспечивается пламенем горелки.

Существенный недостаток данного (конвективного) способа в том, что часть тепловой энергии тратится нерационально – уходит в атмосферу, через дымоход. Его коаксиальная версия проблему несколько нивелирует, но не настолько, чтобы говорить о значительной экономии.

У всех конвекционных котлов имеется и еще один недостаток, о котором рядовой пользователь может и не знать. Работа установки на пониженном режиме приводит к «охлаждению» продуктов сгорания. И если их температура упадет ниже 55±50С (зависит от модификации), то газы начинают конденсировать на стенках дымохода, камеры. Агрессивные химические соединения, содержащиеся в капельках жидкости, не лучшим образом влияют на металлы. Как результат – снижение ресурса котла и внеплановый ремонт.

Особенно явно это выражается в случаях, когда монтаж дымохода, да и всего контура отопления (с целью экономии) делается собственноручно – неизбежны отступления от требований СНиП, производителя котельного оборудования, а то и прямые их нарушения.

Конденсационные котлы

В таких установках тепловая энергия для нагрева воды используется по максимуму. Она выделяется не только в результате сгорания топлива; содержится и в паре (он имеет высокую температуру), уходящем вместе с газами через трубу наружу. Реализовано все просто и оригинально: конденсационные котлы оснащаются водяными экономайзерами. По сути, еще один теплообменник.

Его назначение описывается кратко: для обеспечения конденсации паров на своих стенках и перенаправления полученной энергии на конкретные цели. В суммарном выражении при сгорании той же «дозы» топлива ее получается значительно больше. Этим повышается эффективность работы котельного оборудования на системы (ОВ или ГВС), в зависимости от режима.

Практика подтверждает теоретические расчеты: экономия газа на обогрев строения может достигать 35%. Следовательно, расходы по статье «отопление» (ГВС) снижаются.

В чем отличие в практическом плане? Для нормального функционирования отопительной системы с включенным в схему конвекционным котлом нужно обеспечить минимальную разницу температур на его выходе и входе (в линии обратки). Несоблюдение данного условия чревато температурным перекосом в теплообменнике. К чему приводит поступление холодного теплоносителя в горячий металлический корпус прибора, пояснять не нужно. Это одна из причин быстрого выхода оборудования из строя, особенно при самостоятельном проектировании системы и монтаже.

С котлом конденсационным все иначе. Охлажденная вода, поступающая по обратке в экономайзер, подогревается тепловой энергией, выделяющейся при конденсации паров. В основном теплообменнике ее температуру нужно всего лишь поднять до требуемого значения. Выгоду понять несложно: традиционный (конвекционный) газовый котел характеризуется КПД порядка 90%. То есть 10 в прямом смысле «улетает» через дымоход. В конденсационной установке и эти проценты используются для нагрева воды (ОВ или ГВС) в теплообменнике. Потому их КПД достигает 98%.

Устройство конденсационной модели

Рисунок все хорошо поясняет. В котле дополнительно установлен второй (обязательно бесшовный, литой) теплообменник (экономайзер), камера доохлаждения и конденсатосборник (не во всех моделях).

Преимущества конденсационного оборудования

• Экономичность. На такие отопительные приборы особое внимание стоит обратить собственникам, которые пользуются для обогрева баллонным газом.
• Пониженные требования к дымоходу. Его можно обустраивать даже из пластиковой трубы – в отходящих газах агрессивный конденсат отсутствует, их температура низкая. Одновременно продлевается срок службы канала: коррозия металла маловероятна.
• Уменьшение количества токсичных выбросов. Специалисты оценивают снижение на уровне 65–70%.

Минусы

• Цена. Стоимость конденсационных котлов в среднем в 1,7 раза выше моделей традиционного типа. В первую очередь, за счет экономайзера. Хотя затраты на приобретение в перспективе окупаются снижением расхода газа.
• Ограничение в использовании. Не для высокотемпературных контуров – нивелируется главное преимущество котла этой категории и теряется смысл его установки. Одно из решений – подключение нескольких систем: отопления, теплого пола. Задача – добиться охлаждения теплоносителя.
• Необходимость утилизации конденсата. Он ядовит, а потому слив в грунт на участке, в автономную канализацию (септик) исключается; только отдельная система сбора. В моделях средней и высокой ценовой категории имеются встроенные бачки, которые нужно лишь периодически опорожнять.
• Все конденсационные котлы – энергозависимые. Поэтому в самоточных системах не монтируются.

Вывод: котлы конденсационного типа, несмотря на высокую стоимость, в перспективе дают хорошую экономию на отоплении. Но при условии, что выбором модели, проектированием системы и монтажом занимался профессионал.

Искать конденсационный котел не придется. Отопительные установки этой группы от ведущих производителей представлены в интернет-магазине alfatep.ru. Наши сотрудники не только помогут в выборе оборудования для конкретного строения. Специалисты сервисной службы окажут услуги жителям Подмосковья по проектированию автономной системы, монтажу, настройке и пуске в эксплуатацию. Мы обеспечиваем полное техническое сопровождение изделий и после окончания гарантийного периода. По всем вопросам можно обратиться по контактному телефону 8 (495) 109-00-95 или в разделе сайта «Обратная связь». Доставка товара в максимально сжатые сроки, через представительства «АЛЬФАТЭП» в регионах.

Что такое конвекционный обогреватель

Наша страна славится, как известно, суровыми зимами, а центральная полоса России – еще и ярко выраженными сезонами. Именно поэтому нам не обойтись без отопительных приборов. Чаще всего используется центральное отопление, которое есть во всех квартирах, реже оно используется в частных домах или в загородных коттеджах. Иногда центрального отопления бывает недостаточно, и тогда на помощь приходит дополнительное отопительное оборудование. В последнее время в нашей стране широкую популярность завоевали конвекторы, или конвекционные обогреватели.

Принцип конвекции

Что такое конвекция – это процесс распределения воздушных масс за счет разницы температуры воздуха. Нагретый воздух, как известно, поднимается вверх, ему на смену приходит холодный воздух, который, нагреваясь, опять поднимается. Именно принцип конвекции и лежит в основе работы конвекционного обогревателя. Холодный воздух поступает внутрь корпуса конвектора, вступает в контакт с нагревательным элементом высокой температуры и подогревается от него. Далее теплый воздух выходит из корпуса конвектора через специальные отверстия, расположенные вверху прибора. Таким образом и происходит нагрев воздуха в помещении.

Что такое конвекционный обогреватель

Принцип работы конвектора мы описали выше, теперь разберемся, из чего состоит конвекционный обогреватель и как работает. Современный конвектор – это технически сложное оборудование с максимально простым управлением. Любой конвектор состоит из нескольких частей.

На фото: нагревательный элемент конвектора, корпус Nobo, термостат Nobo

Корпус

Внутри корпуса расположены все основные элементы конвектора, отвечающие за его стабильную работу. Фронтальная панель корпуса может выглядеть совершенно по-разному, здесь все зависит от производителя. Это может быть и лаконичная плоская матовая или глянцевая панель, и зеркальная поверхность, и картина, нанесенная на поверхность панели. Также одна из основных задач корпуса – безопасность. Стенки корпуса не должны нагреваться слишком сильно, чтобы не было возможности у потребителя получить ожог. На передней панели расположены специальные решетки для выхода горячего воздуха. В верхней части или сбоку, в зависимости от модели конвектора, на корпусе установлен термостат. Также на корпусе размещена кнопка включения/отключения прибора.

Нагревательный элемент

В отопительных приборах конвекционного типа он может быть электрическим, газовым или водяным.

Термостат

Этот важный элемент отвечает за поддержание необходимой температуры. Термостат может быть механическим или электронным. Некоторые современные термостаты также могут подключаться к интеллектуальным системам управления – например, для электрических конвекторов NOBO это системы Orion 700 или NOBO Energy Control. Это дает возможность удаленного управления приборами. Можно задать любую программу, установить комфортную температуру на любое время, запланировать включение или отключение прибора в заданное время. Это не только облегчает управление, но и позволяет значительно экономить электроэнергию.

При включении конвектора происходит нагрев ТЭНа. Воздух вокруг него нагревается и выходит в помещение через выходные отверстия. Холодный воздух опять поступает в конвектор, нагревается и все повторяется по этому циклу. Конвектор будет работать, пока в помещении не будет достигнута необходимая температура. За этим следит температурный датчик. Как только температура в комнате снизится, нагревательный элемент снова начнет нагреваться. Такой способ работы экономит электроэнергию и позволяет постоянно поддерживать комфортный температурный режим в помещении.

Виды конвекторов

Можно поделить конвекционное отопительное оборудование на несколько видов, отталкиваясь от того, за счет чего обеспечивается его работа.

На фото: газовый конвектор, водяной конвектор, электрический конвектор

Газовые конвекторы

Это оборудование работает на природном газе. Его установка возможна только в частном доме, в жилых многоквартирных домах устанавливать газовый конвектор запрещено.

Водяные конвекторы

В данном случае теплоносителем является горячая вода, она нагревает теплообменник, который, в свою очередь, нагревает воздух. Далее принцип работы такой же, как и у всех конверторных отопительных приборов.

Электрические конвекторы

Это самый распространенный вид теплового оборудования. Работает от электросети.

Также конвекторы можно поделить по типу их установки или монтажа – встроенные, напольные, настенные, плинтусные. Чаще всего покупатели приобретают настенные или напольные модели.

Плюсы и минусы конвекционных отопительных приборов

К плюсам конвекторов можно отнести:

• компактность – современное отопительное оборудование, как правило, не занимает много места.
• дизайн – стильный дизайн и широкий выбор моделей позволяют подобрать нужный конвектор для любого типа жилого помещения.
• точность поддержания температуры (электроконвекторы) – она может составлять до 0,4 С.
• экономичность – при покупке моделей последнего поколения потребитель может значительно сэкономить на оплате электроэнергии.
• безопасность – прочный корпус, который не нагревается выше 60 С (у конвекторов NOBO), защита от перепадов напряжения – все это характеристики современных  электроконвекторов. 
• мобильность – если это электроконвектор, то его можно легко переставить в любое место, для этого у него есть специальные колесики или крепежи для установки на стену.

Минусы

Стоимость. Однако если речь идет об электрических конвекторов последнего поколения, то сравнительно высокая цена быстро окупится благодаря экономии электроэнергии, точному поддержанию температурного режима и комфортному микроклимату.

Как выбрать конвектор

Для того чтобы правильно подобрать отопительное оборудование конвекционного типа, необходимо знать несколько параметров, а именно:

• площадь помещения;
• тип и толщину теплоизоляции помещения;
• расположение наружных стен и окон по сторонам света;
• количество окон и дверей;
• количество оборудования, выделяющего тепло;
• мощность прибора.

Ну и, конечно же, лучше отталкиваться еще и от дизайна помещения, места расположения и установки, а также от личных предпочтений и бюджета.

Что такое конвекционное охлаждение?

Конвекционное охлаждение — это любая передача тепла, которая происходит от движения жидкости. Как жидкости, так и газы могут проявлять конвекционное охлаждение, и эффект может быть естественным или принудительным. Естественное охлаждение происходит за счет теплопередачи из-за изменений плотности жидкости, таких как подъем горячего воздуха и понижение холодного воздуха. Принудительная конвекция возникает, когда для перемещения жидкости добавляется любая внешняя сила, такая как вентилятор, движущийся воздух, или ложка, перемешивающая жидкость.

Теплопередача происходит главным образом от проводимости и конвекции. Проводимость — это передача тепла через любой материал, без движения материала. Пример проводимости — металлическая кастрюля, нагретая пламенем на газовой плите. Газовое пламя нагревает нижнюю часть поддона, и проводимость будет передавать тепло остальной части поддона. Когда тепло отключается, конвекция охлаждает кастрюлю по мере передачи тепла и поднимается над воздухом вокруг кастрюли.

Естественное конвекционное охлаждение происходит в атмосфере Земли и океанов. Воздух нагревается от потепления земли и поднимается. Когда воздух поднимается, он охлаждается и возвращается на поверхность, создавая глобальную циркуляцию воздуха и погодные условия. Океанские течения несут теплую воду в более холодные океаны и более холодные раковины и перемещаются в более теплые регионы. Солнечный свет добавляет энергию, нагревая воздух или воду, а вращение Земли придает некоторую энергию, но движение считается естественным, а не вынужденным.

Конвекционное охлаждение происходит и внутри Земли. Расплавленное ядро, нагретое распадом радиоактивных элементов, поднимается к внешней коре нашей планеты. Конвекция охлаждает расплавленный материал сердцевины, и он медленно движется обратно к центру. Это движение заставляет наши континенты медленно перемещаться поверх расплавленного ядра, это явление называется движением тектонических плит.

Принудительное охлаждение распространено в домах и на предприятиях. Системы кондиционирования и отопления использовали принудительную конвекцию воздуха для передачи тепла внутрь или наружу здания. Вентиляторы внутри электронного оборудования использовали принудительное конвекционное охлаждение для перемещения воздуха над электронными компонентами. В холодильных системах используются вентиляторы как для отвода тепла от змеевиков конденсатора, так и для охлаждения компрессора и перемещения воздуха внутри холодильной камеры.

Вентиляторы на протяжении веков демонстрировали конвекционные эффекты. С изобретением электричества, электродвигатели могли быть использованы для привода настольных и потолочных вентиляторов. С конца 20-го века доступны сложные потолочные вентиляторы с термостатами для автоматического управления их функциями. Все они полагаются на один и тот же принцип охлаждения человеческого тела путем перемещения воздуха через кожу.

Конвекция может сочетаться с испарением для улучшения эффективности охлаждения. Системы испарительного охлаждения, в которых для охлаждения внутреннего пространства используется принудительный воздух, пропускаемый через влажную испарительную подушку, популярны в областях с очень низкой влажностью. Эти системы охлаждают внутреннее пространство, отводя тепло из поступающего воздуха путем испарения. Полученный воздушный поток холоднее, но содержит больше влаги. Испарительные системы не работают хорошо в областях с более высокой относительной влажностью, потому что охлаждение не будет происходить, и внутренняя часть может стать довольно влажной.

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

Конвекционная печь или классический духовой шкаф плюсы и минусы

Духовой шкаф — устройство, которое можно увидеть в каждом доме. Но в последнее время опытные пользователи стали отдавать предпочтение не привычным духовкам, а конвекционным печам.

Отличия

Конвекционная печь отличается от духового шкафа прежде всего наличием встроенных вентиляторов и расположением нагревательного элемента. В традиционной духовке нагревательные элементы обычно устанавливаются сверху и снизу. В конвекционной печи ТЭНы располагаются по периметру, а вентиляторы распространяют нагретый воздух по всему внутреннему объему — благодаря этому блюдо в камере подвергается воздействию со всех сторон. Многие печи оснащают двумя вентиляторами, улучшая качество приготовления.

Время приготовления в печи по сравнению с духовкой уменьшается приблизительно на 25 %, так же как и затраты электроэнергии. Замечено, что в них можно выставлять более низкую (на 10-15°С) температуру без ухудшения качества готовки.

В отличие от духовок, в печах можно размещать одновременно несколько блюд на разных уровнях. Чтобы предупредить высыхание пищи, их дополняют системой увлажнения паром. Вода заливается в особый резервуар, а затем поступает мелкими порциями на вентилятор и под действием высоких температур превращается в пар.

Особенно хорошо в печах с конвекцией удается выпечка: благодаря увлажнению она получается более пышной, мягкой и не опадает со временем. Для лучшего обтекания горячим воздухом рекомендуется использовать формы с низкими бортиками. Тем, кто только учится готовить, помогут встроенные автопрограммы.

Управление и функционал 

Системы управления духового шкафа и конвекционной печи одинаковы: производители предлагают модели с механическим переключателем или электронными сенсорными кнопками, а во многих случаях и с дисплеем. Схожими являются и многие другие особенности — таймер, внутреннее освещение камеры, предварительный нагрев и т.  п. Почти во всех печах имеется функция отключения вентиляторов, которая расширяет их возможности.

Что выбрать

Недостатками конвекционных печей считается сравнительно высокая стоимость, а также достаточно строгие правила загрузки: например, противни в них нужно устанавливать, начиная от центра.

Приобрести устройство с конвекцией стоит тем, кто привык много печь или готовить на большую семью, а также хочет усовершенствовать свои навыки в приготовлении пищи. Для сравнительно редкого использования достаточно и классического духового шкафа.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Конвекционная технология | Bosch Thermotechnology

Конвекционные газовые котлы надежны и эффективны, и соответственно, экологичны. Это делает их неотъемлемой частью современных систем отопления.

Конвекционные котлы бывают двух конструктивных типов: Двухконтурные, которые используются для мгновенного подогрева воды или одноконтурные, которые используются для подогрева воды с помощью внешнего бака и могут подавать большие объемы горячей воды в несколько ванных комнат.

В чем заключается принцип работы конвекционных котлов?

На входе холодная вода мгновенно нагревается в теплообменнике, из которого поступает в радиаторы отопления, краны и смесители в доме. Конвекционные котлы бывают закрытого типа или с открытой камерой сгорания. В системах отопления с закрытым расширительным баком поддерживается постоянное давление теплоносителя, тогда как в системах с открытым расширительным баком используется атмосферное давление, которое может меняться, а также в таких системах могут быть потери воды вследствие утечки или испарения. Расширительный бак поддерживает необходимый уровень воды, в то время как насос обеспечивает циркуляцию теплоносителя в системе отопления.

Конвекционные котлы могут обеспечивать отопление и подачу горячей воды в несколько ванных комнат одновременно для относительно больших домов, поэтому, если у вас большая семья, это может быть идеальным решением для вас. Кроме того, они являются отличным вариантом для домов, в которых установлены  старые модели радиаторов, рассчитанные на более низкое давление. Конвекционный котел также должен быть предпочтительным выбором для домов, в которых уже есть существующая система отопления, так как необходимо будет заменить относительно небольшой участок трубопровода, что сделает процесс установки быстрым и легким. Кроме того, конвекционные котлы совместимы с солнечными коллекторами, что позволяет снизить выбросы углерода и сэкономить на счетах за электроэнергию.

Такое решение обязательно будет представлено в нашем предложении. Все наши изделия имеют одну общую характеристику: высокое качество бренда Bosch. Подберите конвекционный газовый котел для своего дома!

Какой электрический теплый пол выбрать?

Теплые полы с каждым годом занимают все более уверенную позицию на рынке отопительных приборов. Преимуществом такой системы обогрева становится не только экономия рабочего пространства в помещении, но и равномерное распределение тепла.

Всего же выделяют два типа теплых полов: водяные и электрические. В многоквартирных домах принято использовать только электрические теплые полы, так как они позволяют регулировать температуру и исключают вероятность затопления нижних этажей, что возможно в случае использования водяного теплого пола.

Электрический теплый пол, в зависимости от типа обогревательного элемента, подразделяют на 2 вида: конвекционный теплый пол и инфракрасный теплый пол.

Конвекционный электрический теплый пол – это система, где нагревание совершается в греющем элементе (кабеле), который уже посредством физического контакта передает тепло на поверхность пола и далее.

Греющий кабель (диаметр 5-8 мм) состоит из одной или двух токоведущих жил (одножильный или двухжильный экранированный), внутренней изоляции и наружной оболочки. Монтируется такой теплый пол в стяжку толщиной от 3 до 5 см, или непосредственно в плиточный клей.

Следует отметить, что двухжильный кабельный пол более прост в монтаже, так как уже имеет готовый конец для подключения к электросети. А конец одножильного кабеля после укладки необходимо вернуть к месту подключения (закольцевать).

Электрический греющий кабель рекомендуется использовать под керамическую плитку, керамогранит, натуральный камень, наливной пол.

Инфракрасный электрический теплый пол – это тонкая пленка состоящая из нагревательных ик-элементов, которые передают тепло не воздуху, а предметам, расположенным в комнате, включая и само напольное покрытие.

На сегодняшний день инфракрасный пол для сухого монтажа это одно из самых экономичных, экологичных и простых по монтажу решений для обогрева помещений.

Его установка является наиболее простым из возможных вариантов — инфракрасная пленка укладывается необходимыми по длине полосами на тонкую отражающую теплоизоляцию, а на нее сверху укладывается напольное покрытие. Отсутствие трудоемкого процесса стяжки или какого-либо иного раствора, также позволяет устанавливать инфракрасные полы не только на горизонтальною плоскость, но и на вертикальную и потолочную.

Как выбрать электрический теплый пол?

Каждый хозяин знает холодные места своего дома, которым не хватает уюта и тепла. Именно поэтому решение установить электрический теплый пол в том или ином помещении приходит до начала ремонта. Будь то теплый пол в ванной, кухне, комнате или на балконе, стоит учесть множество моментов, выбирая подходящий именно Вам электрический теплый пол.

1. Напольное покрытие. Одним из главных факторов при подборе электрического теплого пола является тип напольного покрытия. В первую очередь стоит выяснить его совместимость с необходимым Вам теплым полом.
2. Основной источник отопления или дополнительный. Если теплый пол остается единственным источником обогрева в комнате, то следует обращать внимание на полы с большей мощностью. В качестве дополнительного обогрева подойдут практически все варианты электрического теплого пола, включая инфракрасный теплый пол.
3. Мощность теплого пола. От нее зависит не только комфортная температура в отапливаемом помещении, но и энергопотребление системы, которое обуславливает стоимость ее эксплуатации.

Прежде чем переходить к расчетам и выбору комплектующих, желательно начертить план каждого отдельного помещения квартиры или дома в удобном масштабе.

После этого вычисляется общая площадь помещения – Sобщ. Далее, на том же плане делается расстановка всей стационарной мебели без ножек и высчитывается площадь, занимаемая мебелью – Sмеб. Теперь можно получить площадь, на которую будет укладываться электрический теплый пол – Sу:

Sу=Sобщ— Sмеб.

Желательно, чтобы отапливаемая площадь занимала не менее 50% от общей площади помещения, а лучше 70—80%, то есть должно соблюдаться условие:

Sу*100%/Sобщ≥70%.

Приведем пример. Есть комната общей площадью 12 м2, а площадь занятая мебелью и оборудованием 4 м2, значит: Sу=12—4=8 м2

Если электрический теплый пол будет использоваться как основная система отопления, то установленная мощность Pуст должна быть, по крайней мере, не меньше мощности теплопотерь в этом помещении Pп, которые получают в процессе теплотехнических расчетов. Специалисты рекомендуют установленную мощность вычислять с запасом в 30%:

Pуст=1.3* Pп.

Если нагревательный кабель будет проложен в термоаккумулирующей стяжке, то коэффициент запаса следует применять 1,4:

Pуст=1. 4* Pп.

Например, в вышеописанной кухне теплопотери составляют 1000 Вт, значит, для их компенсации с учетом запаса понадобится обогреватель с установленной мощностью: Pуст=1.3*1000 Вт=1300 Вт, а в случае с термоаккумулирующими полами Pуст=1.4*1000 Вт=1400 Вт.

Удельную мощность Pуд можно определить как отношение устанавливаемой мощности к обогреваемой площади:

Pуд=Pуст/Sу.

В нашем примере: Pуд=1300 Вт/8=162 Вт/м2 или для аккумулирующих полов — Pуд=1400 Вт/8=175 Вт/м2.

После определения необходимой установленной мощности электрического теплого пола необходимо определиться с тем, какие нагреватели наиболее целесообразно использовать в каждом конкретном случае.

Удобство и комфорт, создаваемые отапливаемыми полами, омрачает только один фактор – счет за электроэнергию. Как, не лишая себя удобств, снизить расходы на электроэнергию? Несколько советов по умному потреблению:

1. Обязательно смонтируйте терморегулятор. Расположить его лучше на максимальном удалении от основной отопительной системы. Регуляторы позволяют сэкономить до 40% электроэнергии за счет необходимого включения.
2. Максимально снизьте потерю тепла. При необходимости проведите работы по теплоизоляции стен. Согласно опытных статистических исследований, улучшение теплоизоляции снижает расходы на электроэнергию почти в 2 раза.
3. Установите многотарифную систему оплаты электроэнергии. При этом отопление полами в ночное время обойдется в зависимости от региона в 1,5 – 2 раза дешевле.
4. Не заводите элементы отопления в места расположения мебели, делайте необходимые отступы от стен и приборов отопления.
5. Понизив температуру всего на 10С, потребление электроэнергии сокращается на 5%.

Подойдите к вопросу укладки теплых полов ответственно. Заранее просчитайте необходимую мощность приборов. Эти данные помогут правильно подобрать элементы нагрева и пользоваться системой без значительного ущерба для семейного бюджета.

Формирование конвекционного потока лесного пожара

Под конвекцией понимаются движения отдельных масс внутри жидкости или газа, зависящие от разностей плотности (в атмосфере это возникает от разностей температуры) и приводящие к перемешиванию.

С конвекцией связан целый ряд атмосферных процессов. В теплое время года конвекция является тем механизмом, с помощью которого осуществляется обмен теплом, влагой и количеством движения между подстилающей поверхностью и свободной атмосферой; кроме того, конвективные движения способствуют переходу различных примесей из нижних слоев атмосферы в верхние, затем эти примеси разносятся ветром, как, например, это происходит с дымом в зоне лесных пожаров.

Конвекция проявляется в виде конвекционных потоков — т. е. движений воздуха с большой вертикальной составляющей. Конвекционные потоки, образующиеся у поверхности земли, могут возникать спонтанно (без наличия источников тепла), в результате каких-либо начальных возмущений в поле температуры или ветра, и под влиянием источников тепла (термическая конвекция), нагревающих находящийся над ними воздух. Такими источниками тепла на земной поверхности являются: сильно прогревающиеся склоны гор, островки и берега рек, свежевспаханные участки земли, асфальтовые дороги, вырубки в лесу и т. д. Лесные пожары — наиболее мощные из перечисленных источников тепла, над которыми образуются конвекционные потоки. Температуры и скорости над такими источниками тепла значительно превышают температуры и скорости спонтанных струй.

Альбрехт определяет термическую конвекцию как вертикальное движение вверх больших воздушных масс под воздействием термической силы, создаваемой вследствие наличия в них более высоких температур, по сравнению с окружающим воздухом. Он делает вывод, что возникновение термической конвекции обычно имеет место при малых или умеренных скоростях ветра.

В ряде случаев над лесными пожарами, выделяющими большое количество тепла, возникают настолько мощные конвекционные потоки, что они способны увлекать тлеющие частицы лесного горючего материала на значительную высоту, откуда эти частицы разносятся ветром на различные расстояния. М. Я. Ройтман (1964) указывает, что мощность конвекционных потоков при горении древесных материалов может быть настолько велика, что в отдельных случаях они способны отрывать и перебрасывать конструктивные элементы зданий. Известно, что чем мощнее источник тепла, тем больше скорость и высота конвекционного потока, развивающегося над ним, и тем больше, следовательно, вероятность подъема горящих частиц. Однако какова бы ни была мощность источника тепла, горящие частицы могут быть подняты на значительную высоту лишь в том случае, если конвекционный поток не будет смят ветром.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

13 примеров конвекции в повседневной жизни — StudiousGuy

Конвекция относится к процессу передачи тепла или энергии через текучую среду (газ или жидкость) от высокой температуры к низкой. Конвекция — это один из трех типов теплопередачи; два других — излучение и проводимость. Под проводимостью понимается передача тепла между телами, находящимися в физическом контакте; тогда как при излучении энергия излучается в форме электромагнитных волн.

Молекулярное движение в жидкостях является причиной конвективной теплопередачи. Движение молекул увеличивается, когда температура молекул увеличивается; в результате молекулы стремятся удаляться друг от друга. Движение молекул отвечает за передачу тепла.

Если вы посмотрите вокруг, вы можете заметить, что конвекция играет важную роль в повседневной жизни. В этой статье мы собираемся обсудить реальные примеры конвекции, которые весьма интересны.

1. Бриз

Морской и наземный бриз являются классическими примерами конвекции. Согласно определению конвекции, молекулы с более высокой температурой вытесняют молекулы с более низкой температурой. Точно так же днем ​​поверхность суши у моря теплее, чем вечером. Конвекция заставляет воздух, который находится ближе к поверхности земли, нагреваться и, следовательно, подниматься. Этот теплый воздух у суши легко заменяется прохладным воздухом, в результате чего получается «Морской бриз.«Ночью земля остынет сильнее. Однако воздух над морской водой теплый и поэтому поднимается вверх. Когда этот воздух поднимается, он заменяется холодным воздухом с суши, который обычно называют «сухопутным бризом».

2. Кипяток

Конвекция вступает в игру при кипячении воды. Происходит то, что холодная вода внизу нагревается от энергии горелки и поднимается вверх. Когда горячая вода поднимается, холодная вода устремляется, чтобы заменить ее, что приводит к круговому движению.

3. Кровообращение у теплокровных млекопитающих

Вы можете быть удивлены, узнав, что теплокровные животные используют конвекцию для регулирования температуры тела. Человеческое сердце — это насос, а кровообращение в человеческом теле — пример принудительной конвекции. Тепло, выделяемое клетками тела, передается воздуху или воде, протекающей по коже.

4. Кондиционер

В жаркий летний день кондиционеры работают постоянно.Процесс охлаждения воздуха в кондиционерах основан на принципе конвекции. Холодный воздух выпускается кондиционерами. Теперь этот холодный воздух плотнее теплого и, следовательно, тонет. Теплый воздух, будучи менее плотным, поднимается и втягивается кондиционером. В результате создается конвекционный ток, и комната охлаждается.

5. Радиатор

Даже радиаторы работают по принципу конвекции. Как и в приведенном выше примере с кондиционерами, радиаторы работают аналогичным образом.В радиаторах нагревательный элемент размещается внизу. Холодный воздух, будучи плотным, опускается и забирается в радиатор; его нагревают и отпускают. Горячий воздух заменяет промежуток, оставленный холодным воздухом. Следовательно, создается конвекционный ток.

6. Холодильник

Принцип работы холодильников очень похож на принцип работы кондиционеров. Морозильная камера, в случае холодильников, размещается вверху. Как упоминалось выше, теплый воздух, будучи менее плотным, поднимается вверх и, следовательно, охлаждается морозильной камерой. Теперь этот прохладный воздух, будучи более плотным, опускается вниз и, следовательно, сохраняет нижнюю часть холодильника прохладной.

7. Поппер горячего воздуха

Поппер с горячим воздухом, который используется для приготовления попкорна, также использует принцип конвекции. Поппер горячего воздуха имеет вентилятор, вентиляционное отверстие и нагревательный элемент. Когда поппер включен, вентилятор нагнетает воздух на нагревательный элемент через вентиляционное отверстие. Нагревательный элемент, в свою очередь, нагревает воздух; который затем поднимается. Над нагревательным элементом размещены ядра попкорна.Ядра нагреваются, когда поднимается горячий воздух; поэтому ядра лопаются.

8. Воздушный шар

Воздушные шары могут подниматься по принципу конвекции. Вы могли видеть обогреватель в основании воздушного шара. Этот обогреватель нагревает воздух, который движется вверх. Поднимающийся горячий воздух попадает в воздушный шар и, следовательно, заставляет его подниматься вверх. Когда должна произойти посадка воздушного шара, пилот выпускает часть горячего воздуха.Холодный воздух заменяет выпущенный горячий воздух; следовательно, воздушный шар опускается.

9. Горячий напиток

Кто не любит чашку горячего кофе в зимний день? Вы знаете, что выделение тепла из дымящейся чашки горячего кофе также работает по принципу конвекции? Возможно, вы часто наблюдали пар, выходящий из чашки с горячим кофе. Пар в виде теплого воздуха поднимается вверх из-за высокой температуры жидкости. Этот пар передается в воздух.

10. Осадки и грозы

Можно даже наблюдать роль конвекции в осадках и грозах. Посмотрим как? Облака образуются, когда вода в океане нагревается и поднимается вверх. Эти теплые капли воды, в свою очередь, насыщаются, что приводит к образованию облаков. Маленькие облака, которые образуются в результате этого процесса, сталкиваются друг с другом, образуя большие облака. Эти большие облака, которые обычно называют кучево-дождевыми, приводят к дождям и грозам.

11. Двигатели с воздушным охлаждением

Двигатели в транспортных средствах, например в легковых автомобилях, охлаждаются водяными рубашками. Продолжительная работа двигателей приводит к нагреванию воды в водяной рубашке / водяных трубах, окружающих двигатель. Чтобы двигатель оставался работающим, воду необходимо охладить. Когда вода нагревается, она начинает течь по трубам, окружающим двигатель. Когда теплая вода течет по этим трубам, она охлаждается вентиляторами.Эти вентиляторы тоже присутствуют в трубах. Как только вода остывает, она возвращается в двигатель; следовательно, соблюдая сам принцип конвекции и охлаждения двигателя.

12. Таяние льда

Таяние льда — еще один пример конвекции. Температура поверхности или границы льда увеличивается по мере того, как теплый воздух дует над поверхностью; или под ним течет вода, температура которой выше, чем у льда. Когда температура поверхности или границы льда изменяется, лед тает. Подобным образом замороженный материал тает в воде.

13. Конвекционная печь

Кто не любит торты и печенье? Но знаете ли вы, что в большинстве духовок используется принцип конвекции? В конвекционных печах используется принудительная конвекция. При нагревании молекулы, присутствующие в воздухе, также нагреваются и начинают двигаться. Благодаря этому теплому воздуху пища в духовке готовится.

Источники изображений

• бесплатная онлайн-частная пилотная наземная школа.com
• subrogationrecoverylawblog.com
• flowvella.com
• bestheating.com
• 3.bp.blogspot.com
• i5.walmartimages.ca
• cradle-cfd.com
• slideplayer.com
• images-na.ssl-images-amazon.com
• inabottle.it
• icestories.exploratorium.edu
• ffden-2.phys.uaf.edu

Конвекция — Энергетическое образование

Конвекция — это движение жидкости, вызванное разницей температур в этой жидкости. Когда жидкость нагревается, область, находящаяся в непосредственном контакте с источником тепла, становится менее плотной из-за увеличения кинетической энергии в частицах. Затем часть менее плотной жидкости поднимается, а более плотная часть жидкости опускается. Процесс повторяется, потому что менее плотные жидкости охлаждаются по мере удаления от источника тепла, заставляя их тонуть, в то время как более плотные жидкости нагреваются, когда они находятся рядом с источником тепла, заставляя их подниматься. Это создает конвекционные токи.

Конвекция — один из основных способов передачи тепла.Остальные — теплопроводность, ^[1] лучистая энергия ^[1] и эвапотранспирация. ^[2]

Рис. 1. Воздух над сушей нагревается быстрее, чем воздух над водой, что приводит к конвекции, которая ощущается как прохладный океанский бриз. ^[3] Рисунок 2. Конвекционное обогревание комнаты тихое и энергоэффективное. ^[3]

Конвекция играет большую роль в ветровом режиме и в пассивной вентиляции. Движение ветра по земному шару зависит от различных мест, где теплый воздух поднимается и холодный опускается, создавая сильные ветровые потоки, влияющие на погоду.Например, воздух над сушей обычно нагревается солнцем в течение дня, а воздух над морем остается прохладным. Горячий воздух над землей поднимется в атмосферу. По мере того, как он поднимается, он также остывает и становится более плотным, заставляя его снова опускаться. Эта концепция проиллюстрирована на рисунке 1.

Подобно тому, как конвекция работает в атмосфере, конвекция также вызывает пассивную вентиляцию (естественное движение воздуха) в комнате, как показано на рисунке 2. Хотя естественная конвекция может использоваться внутри домов, принудительная конвекция встречается чаще.

Принудительная конвекция

основная статья

В то время как естественная конвекция может использоваться внутри домов, принудительная конвекция более распространена. Здесь потоки воздуха нагнетаются вентилятором через комнату. Принудительная конвекция может иметь те же эффекты, что и естественная конвекция, этому процессу просто способствуют такие устройства, как вентиляторы. Если у вас дома есть вентиляционные отверстия внизу стен, это пример принудительной конвекции.

Рис. 4. Зимой потолочные вентиляторы должны вращаться по часовой стрелке, чтобы втягивать холодный воздух из комнаты вверх, а теплый — вниз, создавая восходящий поток. ^[4] Рис. 3. Летом потолочные вентиляторы должны вращаться против часовой стрелки, чтобы смешивать теплый воздух и нагнетать прохладный ветерок вниз, создавая нисходящий поток. ^[4]

Список литературы

1. ↑ ^{1.0 1.1} Р. Д. Найт, «Работа», в Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 2-е изд.Сан-Франциско: Пирсон Аддисон-Уэсли, 2008, гл. 11. С. 325–327.
2. ↑ Р. Вольфсон, «Общество высоких энергий», в Энергия, окружающая среда и климат, 2-е изд. Нью-Йорк: Нортон, 2012, гл. 12. С. 333.
3. ↑ ^{3,0 3,1} «Свойства выборки для чтения: плотность создает токи». [Онлайн]. Доступно: http://www.propertiesofmatter.si.edu/Density_Creates.html
4. ↑ ^{4,0 4,1} Создано внутри компании членом группы энергетического образования

Теплообмен

Конвекция — это передача тепла за счет массового движения жидкости, такой как воздух или вода, когда нагретая жидкость перемещается от источника тепло, несущее с собой энергию.Возникает конвекция над горячей поверхностью потому что горячий воздух расширяется, становится менее плотным и поднимается вверх (см. Закон идеального газа). Горячая вода также менее плотная, чем холодная, и поднимается вверх, вызывая конвекционные токи, переносящие энергию. Конвекция также может приводить к циркуляции жидкости, как при нагревании кастрюли с водой над пламенем. Подогретая вода расширяется и становится более плавучей. Более холодная и более плотная вода у поверхности спускается вниз, и могут формироваться схемы циркуляции, хотя они не будут такими регулярными, как показано на рисунке. Конвекционные ячейки видны в нагретом кулинарном масле в кастрюле слева. Нагревание масла вызывает изменения показателя преломления масла, делая видимыми границы ячеек. Образуются паттерны циркуляции, и, предположительно, видимые стеноподобные структуры являются границами между паттернами циркуляции. Считается, что конвекция играет важную роль в транспортировке энергии от центра Солнца к поверхности и в перемещениях горячей магмы под поверхностью Земли.Видимая поверхность Солнца (фотосфера) имеет зернистый вид с типичным размером гранулы 1000 километров. Изображение справа взято с веб-сайта NASA Solar Physics и предоставлено Дж. Шармером и шведским вакуумным солнечным телескопом. Гранулы описываются как конвекционные ячейки, которые переносят тепло от внутренней части Солнца к поверхности. При обычной теплопередаче на Земле трудно количественно оценить эффекты конвекции, поскольку она по своей сути зависит от небольших неоднородностей в достаточно однородной среде.При моделировании таких вещей, как охлаждение человеческого тела, мы обычно просто объединяем его с проводимостью.

Индекс Концепции теплопередачи Примеры теплопередачи

Тепловая конвекция — обзор

6.4.1 Решения для диффузии-конвекции

Движение грунтовых вод влияет на теплопередачу, вызывая общую тепловую конвекцию (в некоторых текстах адвекция) , что важно для долговременного температурного отклика GHE (Павлов, Олесен, 2012).Хотя консервативный дизайн GSHP не может предполагать никакой выгоды от этого потока (Kavanaugh and Rafferty, 1997), тем не менее желательно оценить его влияние. Большинство аналитических моделей решают эту проблему диффузии-конвекции с помощью метода движущихся источников тепла, который впервые был предложен Ingersoll et al. (1954) и был дополнительно исследован или расширен Diao et al. (2004), Саттон и др. (2003), Молина-Хиральдо и др. (2011a), Chiasson and O’Connell (2011), Tye-Gingras and Gosselin (2014) и Zhang et al.(2015). Все эти модели теоретически идентичны друг другу, а модель Diao et al. (2004) приведена в Таблице 6.2.

Теоретической основой применения метода движущегося источника тепла к проблеме диффузии-конвекции является их эквивалентность. Проблемы с движущимся источником тепла можно рассматривать либо как проблемы, в которых источники тепла движутся через неподвижную среду, либо как случаи, когда равномерно движущаяся среда протекает через неподвижные источники тепла (Carslaw and Jaeger, 1959; Eckert and Drake, 1987).Предположим, что x , y и z обозначают фиксированные координаты, а скорость движущейся среды U параллельна оси x . При решении задач о движущемся источнике тепла удобно определить систему координат, скажем ( ξ , η , ζ ), движущуюся вместе со средой. В подвижной системе координат теплопроводность в движущейся среде определяется соотношением

[6.20] ∂T∂t = α (∂2T∂ξ2 + ∂2T∂η2 + ∂2T∂ς2)

Поскольку соотношение между фиксированным и подвижные координаты: x = ξ + Ut , y = η и z = ζ , подставив эти соотношения в уравнение.[6.20] дает:

[6.21] ∂T∂t + U∂T∂x = α (∂2T∂x2 + ∂2T∂y2 + ∂2T∂z2)

Очевидно, что форма уравнения. [6.21] идентично основному уравнению диффузии-конвекции в пористом водоносном горизонте (Bear, 1972; Diao et al., 2004).

Поток грунтовых вод может быть очень сложным, быть вертикальным, горизонтальным или и тем, и другим. Однако все решения с движущимся источником тепла используют Допущение 4 из Раздела 6.2.2. Следовательно, точность этих решений сильно зависит от того, насколько точно это предположение соответствует реальным условиям потока грунтовых вод. Дальнейшее расширение аналитических решений для рассмотрения более сложных потоков подземных вод крайне затруднительно. Движение грунтовых вод в пористом водоносном горизонте также может вызывать теплопередачу за счет теплового рассеивания (Bear, 1972). Некоторые авторы рассматривали эффект термической дисперсии с помощью концепции модифицированной теплопроводности (Molina-Giraldo et al., 2011b; Erol et al., 2015). Поскольку модифицированная теплопроводность обычно зависит от направления, для разработки функции отклика необходимо использовать растворы источников тепла для анизотропной среды (Li and Lai, 2012b; Molina-Giraldo et al., 2011b; Erol et al., 2015).

Конвекция | Encyclopedia.com

КОНЦЕПЦИЯ

Конвекция — это название средства теплопередачи, отличного от теплопроводности и излучения. Это также термин, который описывает процессы, влияющие на атмосферу, воду и твердую землю. В атмосфере горячий воздух поднимается за счет конвекционных потоков, циркулируя и создавая облака и ветры. Точно так же конвекция в гидросфере обеспечивает циркуляцию воды, поддерживая температурные градиенты океанов стабильными.Термин конвекция обычно относится к движению жидкостей, то есть жидкостей и газов, но в науках о Земле конвекция также может использоваться для описания процессов, происходящих в твердой Земле. Эта геологическая конвекция, как известно, приводит в движение движение плит, что является одним из ключевых аспектов тектоники плит.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Введение в конвекцию

Некоторые концепции и явления пересекают дисциплинарные границы в науках о Земле, например, физический процесс конвекции.Это в равной степени актуально для ученых, работающих в геологических, атмосферных и гидрологических науках или в областях исследования, связанных с геосферой, атмосферой и гидросферой соответственно. Единственным важным компонентом земной системы, на который конвекция не оказывает прямого воздействия, является биосфера, но, учитывая высокую степень взаимосвязи между различными подсистемами, конвекция косвенно влияет на биосферу в воздухе, водах и твердой земле.

Конвекцию можно определить как вертикальную циркуляцию, которая возникает из-за разницы в плотности, в конечном итоге вызванной разницей в температуре, и включает в себя передачу тепла посредством движения горячей жидкости из одного места в другое.В физических науках термин «жидкость» относится к любому веществу, которое течет и поэтому не имеет определенной формы. Обычно это означает жидкости и газы, но в науках о Земле это может относиться даже к медленно текущим твердым телам. На протяжении огромного промежутка времени, изученного учеными-землеведами, чистый поток твердых тел при определенных обстоятельствах (например, лед в ледниках) может быть значительным.

Конвекция и тепло

Как указано в предыдущем абзаце, конвекция тесно связана с теплом и температурой и косвенно связана с другим явлением, тепловой энергией.То, что люди обычно называют теплом , на самом деле является тепловой энергией или кинетической энергией (энергия, связанная с движением), производимой молекулами, движущимися относительно друг друга.

Тепло в его научном понимании — это внутренняя тепловая энергия, которая течет от одного тела материи к другому или от системы с более высокой температурой к системе с более низкой температурой. Таким образом, температуру можно определить как меру средней молекулярной кинетической энергии системы. Температура также определяет направление внутреннего потока энергии между двумя системами.Говорят, что две системы при одинаковой температуре находятся в состоянии теплового равновесия; когда это происходит, теплообмен отсутствует, и поэтому тепло передается только между двумя системами.

Холод не бывает, есть только отсутствие тепла. Если тепло существует только при переходе между системами, из этого следует, что направление теплового потока всегда должно быть от системы с более высокой температурой к системе с более низкой температурой. (Этот факт воплощен во втором законе термодинамики, который обсуждается, наряду с другими упомянутыми здесь темами, в книге «Энергия и Земля». ) Передача тепла происходит тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

ПРОВОДИМОСТЬ И ИЗЛУЧЕНИЕ.

Проводимость включает в себя последовательные столкновения молекул и передачу тепла между двумя контактирующими телами. Обычно это происходит в твердом теле. Конвекция требует движения жидкости из одного места в другое, и, как мы уже отметили, она может происходить в жидкости, газе или почти твердом теле, которое ведет себя как медленно текущая жидкость. Наконец, излучение включает в себя электромагнитные волны и не требует физической среды, такой как вода или воздух, для передачи.

Если вы поместите один конец металлического стержня в огонь, а затем через несколько минут коснетесь «холодного» конца, вы обнаружите, что он уже не холодный. Это пример нагрева за счет теплопроводности, при котором кинетическая энергия передается от молекулы к молекуле так же, как секрет передается от одного человека к другому по ряду людей, стоящих плечом к плечу. Так же, как первоначальная формулировка секрета искажается, некоторая кинетическая энергия неизбежно теряется в серии передач, поэтому конец стержня вне огня все еще намного холоднее, чем тот, который сидит в огне.

Что касается излучения, то оно отличается от проводимости и конвекции тем, что для его передачи не требуется среда. Это объясняет, почему космос холодный, но солнечные лучи согревают Землю: лучи представляют собой форму электромагнитной энергии, и они перемещаются посредством излучения в космосе. Космос, конечно, представляет собой фактическое отсутствие среды, но при входе в атмосферу Земли тепло от электромагнитных лучей передается различным средам в атмосфере, гидросфере, геосфере и биосфере.Затем это тепло передается посредством конвекции и теплопроводности.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ПО КОНВЕКЦИИ.

Подобно проводимости и в отличие от излучения, конвекция требует среды. Однако при теплопроводности тепло передается от одной молекулы к другой, тогда как при конвекции сама нагретая жидкость фактически движется. При этом он удаляет или вытесняет холодный воздух на своем пути. Течение нагретой жидкости в этой ситуации называется конвекционным током.

Конвекция бывает двух видов: естественная и принудительная. Подъем нагретого воздуха является примером естественной конвекции. Горячий воздух имеет меньшую плотность, чем более холодный воздух в атмосфере над ним, и поэтому обладает плавучестью; однако при подъеме теряет энергию и охлаждается. Этот охлажденный воздух, теперь более плотный, чем окружающий его воздух, снова опускается, создавая повторяющийся цикл, порождающий ветер.

Принудительная конвекция возникает, когда насос или другой механизм перемещает нагретую жидкость. Примеры устройств с принудительной конвекцией включают некоторые типы духовок и даже холодильников или кондиционеров.Как отмечалось ранее, можно передавать тепло только от высокотемпературного резервуара к низкотемпературному, и, таким образом, эти охлаждающие машины работают за счет удаления горячего воздуха. Холодильник забирает тепло из своего отсека и отводит его в окружающую комнату, в то время как кондиционер забирает тепло из комнаты или здания и выводит его наружу.

Принудительная конвекция не обязательно связана с искусственными машинами: человеческое сердце — это насос, а кровь переносит избыточное тепло, выделяемое телом, к коже. Тепло проходит через кожу посредством теплопроводности, и на поверхности кожи оно выводится из организма различными способами, в первую очередь за счет охлаждения испарения пота.

РЕАЛЬНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Конвективные ячейки

Одним из важных механизмов конвекции, будь то в воздухе, воде или даже твердой земле, является конвективная ячейка, иногда известная как конвекционная ячейка. Последний может быть определен как круговой узор, создаваемый подъемом нагретой жидкости и опусканием охлажденной жидкости.Конвективные ячейки могут быть всего несколько миллиметров в поперечнике или быть больше, чем сама Земля.

Эти клетки можно наблюдать по разным шкалам. Внутри тарелки с супом нагретая жидкость поднимается вверх, а остывшая — капает. Эти процессы обычно трудно увидеть, если речь идет не о японском супе мисо. В этом случае можно наблюдать, как кусочки соевой пасты или мисо поднимаются при нагревании, а затем опускаются внутрь, чтобы снова нагреться.

В гораздо большем масштабе конвективные ячейки присутствуют на Солнце. Эти огромные клетки появляются на поверхности Солнца в виде зернистого узора, образованного колебания температуры между частями клетки. Яркие пятна — это вершина восходящих конвекционных потоков, в то время как темные области — это охлажденный газ, направляющийся внутрь Солнца, где он нагревается и снова поднимается.

Кучево-дождевое облако, или «гроза», является особенно ярким примером конвективной ячейки. Это одни из самых ярких облачных образований, которые можно увидеть, и по этой причине режиссер Акира Куросава использовал сцены из катящиеся грозовые тучи, чтобы добавить атмосферности (в буквальном смысле) своему эпическому фильму « Ran» 1985 года. В течение всего нескольких минут эти вертикальные башни облаков образуются, когда теплый влажный воздух поднимается, затем охлаждается и опускается. В результате получается облако, которое, кажется, олицетворяет одновременно мощь и беспокойство, отсюда Куросава использует кучево-дождевые облака в сцене, которая происходит накануне битвы.

МОРСКОЙ БРИЗ.

Конвективные ячейки, наряду с конвекционными потоками, помогают объяснить, почему на пляже обычно дует ветер. На берегу моря, конечно же, есть поверхность суши и поверхность воды, которые освещаются солнечным светом.При таком воздействии температура земли повышается быстрее, чем воды. Причина в том, что вода имеет чрезвычайно высокую удельную теплоемкость — то есть количество тепла, которое должно быть добавлено к единице массы или отведено от нее, чтобы данное вещество изменило свою температуру на 33,8 ° F (1 ° C). Таким образом, озеро, ручей или океан — всегда хорошее место, чтобы охладиться в жаркий летний день.

Земля нагревается быстрее, как и воздух над ней. Этот нагретый воздух поднимается в виде конвекционного потока, но по мере того, как он поднимается и преодолевает силу тяжести, он расходует энергию и поэтому начинает охлаждаться.Затем охлажденный воздух опускается. И так далее: нагретый воздух поднимается вверх, а охлаждающий воздух опускается вниз, образуя конвективную ячейку, которая непрерывно циркулирует воздух, создавая легкий ветерок.

КОНВЕКТИВНЫЕ КЛЕТКИ ПОД НАШИМИ НОГАМИ.

Конвективные ячейки также могут существовать в твердой земле, где они вызывают сдвиг пластин (подвижных сегментов) литосферы — верхнего слоя недр Земли, включая кору и хрупкую часть в верхней части мантии. Таким образом, они играют роль в тектонике плит, одной из важнейших областей изучения наук о Земле.Тектоника плит объясняет множество явлений, от дрейфа континентов до землетрясений и вулканов. (См. «Тектоника плит» для получения более подробной информации по этому вопросу.)

В то время как электромагнитная энергия Солнца является источником тепла за атмосферной конвекцией, энергия, которая движет геологической конвекцией, является геотермальной и поднимается из ядра Земли в результате радиоактивного распада. (См. Энергия и Земля.) Конвективные ячейки образуются в астеносфере, области чрезвычайно высокого давления на глубине около 60-215 миль.(около 100-350 км), где горные породы деформируются огромными напряжениями.

В астеносфере нагретый материал поднимается в конвекционном потоке до тех пор, пока не достигнет нижней части литосферы (верхнего слоя земной коры и верхней части мантии), за пределы которой он не может подняться. Следовательно, он начинает двигаться горизонтально или горизонтально и при этом увлекает за собой часть литосферы. В то же время этот нагретый материал отталкивает на своем пути более холодный и плотный материал.Более холодный материал опускается ниже в мантию (толстый, плотный слой породы, толщиной примерно 1429 миль [2300 км], между земной корой и ядром), пока он снова не нагревается и в конечном итоге поднимается вверх, таким образом распространяя цикл.

Проседание: ясная погода и ненастье

Как и в случае конвективных ячеек, проседание может происходить в атмосфере или геосфере. Термин проседание может относиться либо к процессу проседания со стороны воздуха или твердой земли, либо, в случае твердой земли, к образовавшейся формации.Таким образом, это определяется по-разному как движение воздуха вниз, опускание земли или углубление в земле. В данном контексте мы обсудим атмосферное проседание, которое более тесно связано с конвекцией. (Подробнее о геологических осадки, см. статьи «Геоморфология» и «Массовая истощение».)

В атмосфере проседание является результатом нарушения нормального восходящего потока конвективных течений. Эти потоки могут действовать, создавая конвективную ячейку, как мы видели, что приводит к потоку бриза.Водяной пар в воздухе может конденсироваться при охлаждении, переходя в жидкое состояние и образуя облака. Конвекция может создать область низкого давления, сопровождаемую сходящимися ветрами, у поверхности Земли, явление, известное как циклон. С другой стороны, если происходит оседание, это приводит к образованию области высокого давления, известной как антициклон.

Частицы воздуха продолжают подниматься в конвективных потоках до тех пор, пока плотность их верхней части не сравняется с плотностью окружающей атмосферы, после чего столб воздуха стабилизируется.С другой стороны, проседание может произойти, если воздух на высоте в несколько тысяч футов станет плотнее, чем окружающий воздух, но при этом не обязательно будет холоднее или влажнее. На самом деле этот воздух необычно сухой и может быть теплым или холодным. Его плотность затем заставляет его тонуть, и при этом он сжимает воздух вокруг него. Результат — высокое давление на поверхности и расходящиеся ветры прямо над поверхностью.

Описанная здесь форма атмосферного оседания дает приятные результаты, объясняющие, почему системы высокого давления обычно ассоциируются с хорошей погодой.С другой стороны, если оседающий воздух оседает на более прохладный слой воздуха, это создает так называемую инверсию оседания, и результаты гораздо менее полезны. В этой ситуации слой теплого воздуха оказывается зажат между более холодными слоями выше и ниже него на высоте нескольких сотен или даже нескольких тысяч футов. Это означает, что загрязненный воздух также задерживается, создавая потенциальную опасность для здоровья. Инверсии проседания чаще всего происходят на крайнем севере зимой и на востоке США в конце лета.

Когда не-жидкость действует как жидкость

До этого момента мы говорили в основном о конвекции в атмосфере и геосфере, но она также важна для океанов. Приведенный ранее пример мисо-супа иллюстрирует движение жидкости и, следовательно, частиц, которое может происходить, когда в жидкости создается конвективная ячейка.

Точно так же в океане конвекция, вызванная как теплом с поверхности, так и, в большей степени, геотермальной энергией на дне, поддерживает постоянную циркуляцию воды.Конвекция океана приводит к передаче тепла по глубине и поддерживает стабильную стратификацию океана. Другими словами, слои или слои, соответствующие различным уровням температуры, остаются стабильными и не сильно колеблются.

Океанские воды соответствуют наиболее распространенному повседневному определению жидкости, но, как отмечалось в начале этого эссе, жидкостью может быть все, что течет, включая газ или, в особых обстоятельствах, твердое тело. Твердые породы или твердый лед в форме ледников можно заставить течь, если материалы достаточно деформированы.Это происходит, например, когда вес ледника деформирует лед на дне, вызывая движение ледника в целом. Точно так же геотермальная энергия может нагревать горные породы и заставлять их течь, приводя в движение описанный ранее конвективный процесс тектоники плит, который буквально перемещает Землю.

ГДЕ ПОДРОБНЕЕ

Пособие для преподавателя по конвекции (веб-сайт). .

Эриксон, Джон. Тектоника плит: разгадывая тайны Земли. New York: Facts on File, 1992.

Hess, Harry. «История океанических бассейнов» (Интернет-сайт). .

Джонс, Хелен. Глубокая конвекция в открытом океане: полевой справочник (веб-сайт). .

Руководство для учителя Ocean Oasis, занятие 4 (веб-сайт). .

Сантри, Лоуренс и Ллойд Бирмингем. Тепло. Махва, Нью-Джерси: Troll Associates, 1985.

Скорей, Р. С. и Арьен Веркаик. Просторное небо. Newton Abbot, England: David and Charles, 1989.

Sigurdsson, Haraldur. Таяние Земли: История идей об извержениях вулканов. Нью-Йорк: издательство Оксфордского университета, 1999.

Скиннер, Брайан Дж., Стивен С. Портер и Дэниел Б. Боткин. Голубая планета: Введение в науку о земных системах. 5 изд. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья, 1999.

Смит, Дэвид Г. Кембриджская энциклопедия наук о Земле. Нью-Йорк: Cambridge University Press, 1981.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

АСТЕНОСФЕРА:

Область чрезвычайно высокого давления, лежащая под литосферой, где горные породы деформируются под действием огромных напряжений. Астеносфера находится на глубине около 60-215 миль. (около 100-350 км).

АТМОСФЕРА:

В общем, атмосфера — это газовый покров, окружающий планету. Однако, если не указано иное, термин относится к атмосфере Земли, которая состоит из азота (78%), кислорода (21%), аргона (0.93%) и другие вещества, включая водяной пар, диоксид углерода, озон и благородные газы, такие как неон, которые вместе составляют 0,07%.

BIOSPHERE:

Комбинация всего живого на Земле — растений, животных, птиц, морских обитателей, насекомых, вирусов, одноклеточных организмов и т. Д. — а также всех ранее живых существ, которые еще не разложились.

ПРОВОДИМОСТЬ:

Передача тепла путем последовательных столкновений молекул. Электропроводность является основным средством передачи тепла в твердых телах, особенно в металлах.

КОНВЕКЦИЯ:

Вертикальная циркуляция, которая возникает из-за разницы в плотности, в конечном итоге вызванной разницей в температуре. Конвекция включает в себя передачу тепла посредством движения горячей жидкости из одного места в другое и бывает двух типов: естественная и принудительная. (См. естественная конвекция, принудительная конвекция. )

КОНВЕКЦИОННЫЙ ТОК:

Поток материала, нагретый посредством конвекции.

КОНВЕКЦИОННАЯ ЯЧЕЙКА:

Круглый узор, образованный подъемом нагретой жидкости и опусканием охлажденной жидкости.Иногда это называют конвекционной ячейкой.

CORE:

Центр Земли, площадь, составляющая около 16% объема планеты и 32% ее массы. Сделанный в основном из железа и другого, более легкого элемента (возможно, серы), он разделен на твердое внутреннее ядро ​​с радиусом около 760 миль (1220 км) и жидкое внешнее ядро ​​около 1750 миль. (2820 км) толщиной.

КОРА:

Самая верхняя часть твердой земли, составляющая менее 1% ее объема и меняющаяся по глубине от 3 до 37 миль.(От 5 до 60 км). Ниже коры находится мантия.

FLUID:

В физических науках термин «жидкость» относится к любому веществу, которое течет и поэтому не имеет определенной формы. Жидкости могут быть как жидкостями, так и газами. В науках о Земле иногда вещества, которые кажутся твердыми (например, лед в ледниках), на самом деле текут медленно.

ПРИНУДИТЕЛЬНАЯ КОНВЕКЦИЯ:

Конвекция, возникающая в результате действия насоса или другого механизма (искусственного или естественного), направляя нагретую жидкость в определенное место.

ГЕОСФЕРА:

Верхняя часть континентальной коры Земли или та часть твердой земли, на которой живут люди и которая обеспечивает их большей частью пищи и природных ресурсов.

HEAT:

Внутренняя тепловая энергия, которая течет от одного материального тела к другому.

ГИДРОСФЕРА:

Вся вода Земли, за исключением водяного пара в атмосфере, но включая все океаны, озера, ручьи, грунтовые воды, снег и лед.

КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ:

Энергия, которой обладает объект благодаря своему движению.

ЛИТОСФЕРА:

Верхний слой недр Земли, включая кору и хрупкую часть в верхней части мантии.

MANTLE:

Плотный слой скальной породы, примерно 1429 миль. (2300 км), между земной корой и ее ядром.

ЕСТЕСТВЕННАЯ КОНВЕКЦИЯ:

Конвекция, возникающая в результате плавучести нагретой жидкости, которая заставляет ее подниматься.

PLATE TECTONICS:

Название теории и одного из направлений тектоники.Как область изучения тектоника плит имеет дело с крупными особенностями литосферы и силами, которые их формируют. В качестве теории он объясняет процессы, которые сформировали Землю в виде плит и их движения.

ПЛИТ:

Большие подвижные сегменты литосферы.

ИЗЛУЧЕНИЕ:

Передача энергии посредством электромагнитных волн, для передачи которых не требуется физическая среда (например, вода или воздух). Земля получает энергию Солнца через электромагнитный спектр посредством излучения.

SUBSIDENCE:

Термин, который относится либо к процессу погружения со стороны воздуха или твердой Земли, либо, в случае твердой Земли, к образовавшемуся образованию. Таким образом, проседание определяется по-разному как движение воздуха вниз, опускание земли или углубление в земной коре.

СИСТЕМА:

Любой набор взаимодействий, который можно мысленно отделить от остальной Вселенной для целей изучения, наблюдения и измерения.

TECTONICS:

Изучение тектонизма, включая его причины и следствия, в первую очередь горообразование.

ТЕКТОНИЗМ:

Деформация литосферы.

ТЕМПЕРАТУРА:

Направление внутреннего потока энергии между двумя системами при передаче тепла. Температура измеряет среднюю молекулярную кинетическую энергию при передаче между этими системами.

ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ:

Тепловая энергия, форма кинетической энергии, производимой движением атомных или молекулярных частиц по отношению друг к другу. Чем больше относительное движение этих частиц, тем больше тепловая энергия.

Открытые учебники | Сиявула

Математика

Наука

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Класс 7A

      • Марка 7Б

      • 7 класс (A и B вместе)

    • Африкаанс

      • Граад 7А

      • Граад 7Б

      • Граад 7 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Марка 8A

      • Сорт 8Б

      • Оценка 8 (вместе A и B)

    • Африкаанс

      • Граад 8А

      • Граад 8Б

      • Граад 8 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Марка 9А

      • Марка 9Б

      • 9 класс (A и B вместе)

    • Африкаанс

      • Граад 9А

      • Граад 9Б

      • Граад 9 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Класс 4A

      • Класс 4Б

      • Класс 4 (вместе A и B)

    • Африкаанс

      • Граад 4А

      • Граад 4Б

      • Граад 4 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Марка 5A

      • Марка 5Б

      • Оценка 5 (вместе A и B)

    • Африкаанс

      • Граад 5А

      • Граад 5Б

      • Граад 5 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

• • Читать онлайн

  • Учебники

    • Английский

      • Марка 6А

      • Марка 6Б

      • 6 класс (A и B вместе)

    • Африкаанс

      • Граад 6А

      • Граад 6Б

      • Граад 6 (A en B saam)

  • Пособия для учителя

Наша книга лицензионная

Эти книги не просто бесплатные, они также имеют открытую лицензию! Один и тот же контент, но разные версии (брендированные или нет) имеют разные лицензии, как объяснено:

CC-BY-ND (фирменные версии)

Вам разрешается и поощряется свободное копирование этих версий.Вы можете делать ксерокопии, распечатывать и распространять их сколько угодно раз. Вы можете скачать их на свой мобильный телефон, iPad, ПК или флешку. Вы можете записать их на компакт-диск, отправить по электронной почте или загрузить на свой веб-сайт. Единственным ограничением является то, что вы не можете адаптировать или изменять эти версии учебников, их содержание или обложки, поскольку они содержат соответствующие бренды Siyavula, спонсорские логотипы и одобрены Департаментом базового образования. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution-NoDerivs 3.0 Непортированный.

Узнайте больше о спонсорстве и партнерстве с другими, которые сделали возможным выпуск каждого из открытых учебников.

CC-BY (версии без марочного знака)

Эти небрендовые версии одного и того же контента доступны для вас, чтобы вы могли делиться ими, адаптировать, трансформировать, изменять или дополнять их любым способом, с единственным требованием — дать соответствующую оценку Siyavula. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

Вихрь скакалки в конвекции жидкого металла

Значение

Крупномасштабная циркуляция (LSC) является ключевой динамической характеристикой турбулентной тепловой конвекции.Это основная структура, которая формирует внешний вид гео- и астрофизических систем, таких как солнечная грануляция или облачные улицы, и является краеугольным камнем теоретических моделей. Наши лабораторно-численные эксперименты показывают, что LSC может выполнять полностью трехмерное движение, напоминающее вращающуюся скакалку. Открытие этого режима LSC подразумевает, что принятая в настоящее время парадигма квазиплоскостного колеблющегося LSC должна быть расширена. Более того, он обеспечивает важную связь между исследованиями замкнутой геометрии, используемой в экспериментах и ​​моделировании, и фактически неограниченными слоями флюида в естественных условиях, где агломерация LSC формирует более крупные структуры.

Abstract

Понимание крупномасштабных циркуляций (LSC) в турбулентных конвективных системах важно для изучения звезд, планет и во многих промышленных приложениях. Каноническая модель LSC является квазипланарной с дополнительными горизонтальными колебаниями и крутильными модами [Brown E, Ahlers G (2009) J Fluid Mech 638: 383–400; Funfschilling D, Ahlers G (2004) Phys Rev Lett 92: 194502; Xi HD et al. (2009) Phys Rev Lett 102: 044503; Zhou Q et al.(2009) J Fluid Mech 630: 367–390]. Используя жидкий галлий в качестве рабочего тела, мы показываем с помощью связанных лабораторно-численных экспериментов в резервуарах с соотношением сторон больше единицы (Γ∈ {2, 2}), что LSC принимает форму «вихря скакалки», строго трехмерный режим, который периодически вращается вокруг танка, следуя движению, очень похожему на скакалку на детской площадке. Дальнейшие эксперименты показывают, что этот поток через скакалку также существует в более вязких жидкостях, таких как вода, хотя и с гораздо меньшим сигналом.Таким образом, этот режим скакалки является важным компонентом турбулентной конвекции, которая лежит в основе наших наблюдений за природными системами.

В полностью турбулентных конвекционных системах конвективная энергия объединяется в когерентные крупномасштабные потоки. Эти движения жидкости проявляются как надстройки в большинстве гео- и астрофизических систем, где они образуют характерные узоры, такие как грануляция на поверхности Солнца или облачные дороги в атмосфере (1–3). Основным строительным блоком этих надстроек является сингулярная крупномасштабная циркуляция (LSC), впервые наблюдаемая более 35 лет назад в лабораторных экспериментах Кришнамурти и Ховарда (4).LSC, также называемый «ветром турбулентности» (5), является самой крупной опрокидывающейся структурой в данном слое жидкости. Несмотря на схожую форму, турбулентный LSC отличается от ламинарных конвективных валков, которые развиваются в начале конвекции (6⇓⇓ – 9). Затем агломерация LSC может действовать, образуя надстройку в пространственно протяженных слоях жидкости (1–3, 10, 11).

Было обнаружено, что во всех естественных и экспериментальных турбулентных конвектирующих жидкостных системах существуют LSC (8, 12–17). Они были описаны как имеющие квазидвумерную вертикальную плоскую структуру, поток которой следует примерно по круговой или эллиптической траектории (7⇓ – 9, 18, 19).Внутри замкнутых систем квазиплоский поток поднимается вертикально с одной стороны контейнера и спускается вертикально по антиподу. Все LSC имеют регулярные низкочастотные колебания, которые являются доминирующей спектральной характеристикой потока (например, ссылки 7, 12, 20–22). В последние годы эти низкочастотные колебания были охарактеризованы как возникающие из-за смещения вертикальной плоскости симметрии LSC, что приводит к горизонтальным колебаниям и скручиванию потока LSC (8, 9, 18, 19, 23, 24). .В раздельном представлении движений скручивание плоскости напоминает лист бумаги, который попеременно скручивается и перекручивается в противоположных направлениях вокруг центральной оси контейнера, а режим горизонтального покачивания напоминает чисто вертикальный лист, движущийся из стороны в сторону через жидкость. , перпендикулярно плоскости ЛСК. Утверждается, что эти две колебательные моды связаны таким образом, что они существуют одновременно в любой данной системе (9, 18, 19).

Часто считается наиболее важным динамическим атрибутом тепловой конвекции, поток LSC срезает верхнюю и нижнюю границу слоя жидкости (14).Этот сдвиг способствует выбросу новых тепловых шлейфов, которые, в свою очередь, помогают разогнать средний ветер. Многие теоретические подходы основаны на концепции LSC для прогнозирования ключевых выходных величин, таких как чистый конвективный перенос тепла и количества движения (5, 25, 26). Следовательно, наличие точного описания структуры LSC и полного диапазона возможной динамики является обязательным.

Лабораторно-численные эксперименты с конвекцией

Мы изучаем турбулентную конвекцию Рэлея – Бенара (RBC), при которой слой жидкости нагревается снизу и охлаждается сверху.Система определяется тремя безразмерными управляющими параметрами: числом Рэлея Ra = αgΔh4 / (κν), которое описывает силу воздействия плавучести по отношению к тепловым и вязкостным диссипативным эффектам; число Прандтля Pr = ν / κ, описывающее теплофизические свойства жидкости; и соотношение сторон контейнера Γ = D / H. Здесь α — коэффициент изобарного теплового расширения, ν — кинематическая вязкость, κ — коэффициент температуропроводности, g — ускорение свободного падения, Δ — перепад температуры в слое жидкости, D — диаметр, H — высота слоя жидкости. конвекционный бак.

Мы провели комбинированные лабораторно-численные эксперименты с эритроцитами с использованием галлия, жидкого металла с низким Pr≃0,027, в качестве рабочего тела. Жидкость содержится в цилиндре Γ = 2, самом большом контейнере, в котором будет образовываться единственный LSC и в котором достигаются самые высокие конвективные скорости (2, 3, 10, 11). Этот экспериментальный план, который развивает исследование жидкой ртути, проведенное Tsuji et al. (13) и отходит от канонических исследований Pr∼1, Γ∼1, позволяет единственной LSC развиваться в максимально неограниченной, сильно турбулентной среде.Оценивая относительную длину когерентности как lcoh / H = 10 Pr1 / 2 (Ra (Nu − 1)) — 1/4 (27), получаем lcoh / H≤0,09 для всех исследованных случаев. Это низкое значение предполагает полностью турбулентный поток, что дополнительно подтверждается относительно высокими числами Рейнольдса Rer, rms> 1,2 × 103 (см. SI Приложение , Таблица S1). С другой стороны, число Пекле Pe = Re Pr≤250 остается низким (см. Ссылку 28), что приводит к более сильным и когерентным тепловым сигналам, чем в средах с Pr жидкостями при сопоставимом уровне турбулентности.

Значительные амплитудные характеристики скорости и температуры в нашей системе позволяют нам обнаруживать и количественно определять моды LSC, которые не наблюдались в канонической установке.Фактически, мы находим режим крупномасштабной турбулентной конвекции с трехмерными колебаниями, который отклоняется от квазиплоского описания движения LSC (рис. 1). Вместо плескания или скручивающих движений из стороны в сторону наши результаты показывают поток, который циркулирует вокруг вихря в форме полумесяца, который, в свою очередь, вращается вокруг резервуара в направлении, противоположном скорости жидкости. Как видно из SI Приложение , Фильмы S3 и S4, этот вихрь выглядит как вращающаяся скакалка.

Рис. 1.

Вихрь скакалки.( A ) Условно усредненная трехмерная визуализация линий тока при t = τ0 / 4 из DNS, сделанная с Pr = 0,025, Ra = 1,12 × 106 в цилиндрическом резервуаре с отношением диаметра к высоте Γ = D / H = 2. Линии тока окружают ядро ​​вихря скакалки, а цвет обтекаемых линий обозначает локальную величину скорости. Кроме того, на срезе средней плоскости цветные контуры обозначают величину скорости, а линии тока скорости визуализируются методом линейно-интегральной свертки (LIC). Цикл скакалки показан в B → C → D → E → B .Показаны поперечные сечения на половине высоты для тех же условно усредненных фаз, что и цветные профили боковых стенок на рис. 4 B . Ядро вихря LSC имеет минимальную скорость (розовый). В B , t = τ0 и D , t = τ0 / 2, LSC ограничен средней плоскостью. В C , t = τ0 / 4 и E , t = 3τ0 / 4, LSC переместился из средней плоскости. Наивысшие скорости (зеленый) в C / E также показывают четкое разделение восходящих и нисходящих потоков (см. SI Приложение , видеоролики S3 – S4 и рис.S1 для 3D-рендеринга B – D ).

Наши лабораторные эксперименты с Γ = 2 жидким галлием выполнены на приборе RoMag (см. Материалы и методы ) и охватывают диапазон чисел Рэлея 7,1 × 104≤Ra≤5,1 × 106. Ультразвуковая доплеровская велосиметрия (29) используется для измерения мгновенного распределения потока вдоль четырех различных линий измерения (рис. 2). Два ультразвуковых преобразователя антиподали прикреплены к верхнему концевому блоку на цилиндрическом радиусе r / R = 2/3 для измерения поля вертикальной скорости (рис.2 A и B ). Еще два датчика прикреплены к боковой стенке горизонтально на высоте z / H = 1/2 для измерения скоростей в средней плоскости по диаметру (рис. 2 C ) и вдоль хорды (рис. 2 D ). Все датчики ориентированы так, чтобы приблизительно совпадать с плоскостью симметрии крупномасштабного потока, за исключением хорды, перпендикулярной ему. Кроме того, 29 термисторов используются для измерения экспериментального температурного поля, включая центральную температуру жидкости в объеме, вертикальную разность температур в слое жидкости и вдоль одной трети боковой стенки средней плоскости.С помощью этой установки мы диагностируем трехмерную динамику LSC жидкого металла.

Рис. 2.

Пространственно-временная эволюция лабораторных скоростей конвекции. Одновременные ультразвуковые доплеровские измерения для случая при Pr = 0,027, Ra = 1,03 × 106 и Γ = 2. Конкретные измерительные линии обозначены красной пунктирной линией на схемах слева от каждой панели данных. Отрицательные (положительные) скорости представляют собой поток от (к) преобразователя. Измерения обезглавлены с использованием скорости свободного падения uff = αgΔH = 21.95 мм / с и время свободного падения τff = H / uff = 4,48 с. Ордината соответствует глубине измерения по высоте резервуара ( A, и B ), диаметру ( C, ) и хорде ( D ) соответственно. Измерения в A – C лежат в плоскости симметрии LSC; Измерения зонда хорды в D лежат перпендикулярно плоскости симметрии LSC. Осевая скорость в A и B показывает средний нисходящий и восходящий поток соответственно и относительно слабые периодические колебания.В то время как средняя скорость равна нулю в C и D , наблюдаются сильные колебания, охватывающие резервуар. Поток вдоль хорды в D показывает периодическую двухячеечную структуру, в которой колебания синфазны с C . Сильные периодические колебания в C и D не могут быть объяснены с помощью текущей парадигмы LSC. (Белая горизонтальная полоса в C возникает из-за постоянного эхо-сигнала от термистора с центральной точкой диаметром 1 мм.) Характерные образцы присутствуют во всем исследованном диапазоне чисел Рэлея, 7,05 × 104≤Ra≤5,14 × 106 (см. SI Приложение , рис. S2).

Все наши ультразвуковые доплеровские результаты демонстрируют характерную скоростную картину, визуализированную на рис. 2 для Ra = 1,03 × 106. Вертикальные скорости на Рис. 2 A, и B показывают поток вблизи осевой плоскости LSC, причем A представляет холодный нисходящий поток (синий), а B представляет теплые восходящие движения (красный) LSC.Кроме того, наши измерения выявляют как высокочастотные, так и низкочастотные колебания в полях вертикальных скоростей. Колебания с более высокой частотой соответствуют мелкомасштабным шлейфам, а сигналы с более низкой частотой соответствуют основным колебательным режимам LSC. Эти измерения вертикальной скорости согласуются с квазиплоской моделью LSC. Однако мы обнаружили, что низкочастотные колебания наиболее сильны в горизонтальном направлении, выровненном по горизонтальной средней плоскости LSC (рис.2 С ). Кроме того, измерения зонда хорды средней плоскости (рис. 2 D ) показывают, что горизонтальная скорость меняет знак поперек средней точки хорды, которая лежит в плоскости симметрии LSC. Эти данные указывают на то, что жидкость периодически отклоняется от осевой плоскости LSC, а затем возвращается к ней. Измеренные скорости приближаются к скорости свободного падения (30) uff = αgΔH. Эти скорости находятся в пределах наших возможностей измерения и, таким образом, определяются как надежные характеристики потока.Важно отметить, что эти расходящиеся-сходящиеся потоки хорды-зонда указывают на наличие сильно трехмерной картины потока, которая несовместима ни с горизонтальными колебаниями, ни с крутильными модами (18, 19) и, таким образом, требует нового физического объяснения.

Чтобы диагностировать режимы поведения инерционного потока LSC в непрозрачном жидком металле, мы провели прямое численное моделирование (DNS) с высоким разрешением с использованием кода конечного объема четвертого порядка GOLDFISH, чтобы предоставить подробную информацию о пространственном и временном измерении. полностью разрешенные трехмерные поля температуры и скорости (см. Материалы и методы ).Основная DNS использует значения параметров Γ = 2, Ra = 1,12 × 106 и Pr = 0,025 и запускается в течение 1000 единиц времени свободного падения после достижения статистического равновесия.

Мы сравниваем результаты DNS и лабораторных экспериментов на рис. 3. Измерения скоростей и температур вблизи центральной точки объема жидкости, частоты спектральных пиков f0 согласуются с точностью до 3,3% (рис. 3 A — D и SI Приложение , Таблица S1). Это количественное согласие демонстрирует, что наша DNS фиксирует основные характеристики лабораторных экспериментов и хорошо подходит в качестве диагностического инструмента для интерпретации потоков, существующих в непрозрачном жидком металле.Кроме того, согласие показывает, что идеализированные граничные условия, имеющиеся в DNS, в достаточной степени воспроизводятся в лабораторных экспериментах.

Рис. 3.

Характеристическая частота и ее масштабирование. Измеренные частотные спектры скорости и температуры в A и B , соответственно, в лабораторных данных при Ra = 1,03 × 106 и в C и D от DNS с Ra = 1,12 × 106. Все спектры рассчитаны с использованием данных, полученных вблизи центра области жидкости.Четыре пунктирные линии в A – D указывают f0, взятые из A . ( E ) Доминирующая частота как функция Ra, нормированная на время термодиффузии, h3 / κ, для экспериментов (белые кружки) и DNS (синяя звезда). Наилучшее соответствие экспериментальных данных дает f0h3 / κ = 0,027Ra0,419. На вставке показана частота, нормированная на расчетное время оборота LSC, 6H / ur, rms, где мы используем максимально возможную длину пути 2H + 2D = 6H. ( F ) Среднее значение горизонтального числа Рейнольдса Rer, среднеквадратичное значение как функция Ra, которое изменяется как 5.662Ra0,483. Число Рейнольдса, компенсированное нашим наилучшим соответствием Re∝Ra0,483 (кружки) и эффективным масштабированием Гроссмана – Лозе Re∝Ra0,435 (треугольники), находится во вставке , вставка .

Значение f0 связано с характеристической скоростью LSC (рис. 3 E и F ) и, таким образом, с переносом количества движения (5, 12, 31, 32). Этот перенос выражается числом Рейнольдса Re, то есть f0h3 / κ = cRePr, с константой c, определяемой геометрией. Путем линейной регрессии нашего набора данных мы находим, что f0∝Ra0.419 ± 0,006 или, что эквивалентно (32), Re∝Ra0,433 ± 0,006 (рис.3 E ). Показатель частотного масштабирования согласуется с результатами, полученными в экспериментах с жидким металлом, Γ = 1, Cioni et al. (12) и Schumacher et al. (14). В качестве альтернативы, число Рейнольдса, основанное на среднеквадратичном значении данных лучевой скорости в средней точке, дает немного другое масштабирование, Rer, rms≡ur, rmsD / ν∝Ra0,483 (рис. 3 F ). Наилучшее соответствие модели Гроссмана – Лозе (31, 32), которая предполагает характерную среднюю скорость LSC, предсказывает эффективное масштабирование Re∝Ra0.435 ± 0,002, что соответствует f0∝Ra0,422 ± 0,002 в нашем диапазоне параметров. Таким образом, наши DNS и экспериментальные результаты согласуются с усредненными по времени кинематическими моделями конвективных потоков с преобладанием LSC (5), но расширяют понимание изменяющейся во времени динамики LSC.

Подобно предыдущим исследованиям, мы характеризуем LSC с помощью измерений температуры, полученных по окружности средней плоскости цилиндра (9, 19, 24, 33). Эти измерения температуры боковых стенок предоставляют информацию о крупномасштабных конвективных потоках внутри конвекционной ячейки.Из-за высокой температуропроводности жидких металлов крупномасштабный температурный сигнал исключительно четкий, поскольку мелкомасштабные температуры демпфируются диффузией. Кроме того, высокие скорости в инерционных конвективных потоках жидкого металла сильно адвектируют крупномасштабное температурное поле, создавая срединные температуры, которые почти достигают установленных максимальных температур, существующих на верхней и нижней границах. Таким образом, температурные сигналы обеспечивают четкое и четкое окно в динамику LSC в потоках жидкого металла.

Вихревой цикл скакалки

Рис.4 A показывает температуру боковой стенки средней плоскости в DNS ( слева, ) при Ra = 1,12 × 106 и в лабораторном эксперименте ( справа, ) при Ra = 1,03 × 106. Четкие голубые и розовые области (холодная и горячая, соответственно) демонстрируют сильные колебания температуры в жидкости, которые мы называем «гармошкой». При t / τff = 0 холодная жидкость покрывает примерно две трети окружности боковой стенки; при t / τffÀ10 холодная жидкость покрывает только одну треть окружности, а затем снова расширяется по азимуту.Усреднение температур боковых стенок по всей окружности, Tavg = ⟨T (r = R, z = H / 2) ⟩ϕ, в результате дает квазипериодические колебания в Tavg (см. Материалы и методы ). В отличие от случаев, когда преобладают моды кручения и качания (8, 9, 18, 19), наши измерения боковой стенки имеют ту же частоту f0, что и центральные измерения, показанные на рис. 3 A — D . Гармошка в температуре боковых стенок (рис. 4 A, и SI, приложение , рис.S3 и S4) и соответствующие колебания в Tavg (рис. 5) обеспечивают простейшие средства для определения режима скакалки в данных конвекции.

Рис. 4.

Сигнал температуры средней панели на боковой стенке. ( A ) Температура (T − Tm) / Δ на полувысоте, полученная численно и экспериментально, показана для 200 единиц времени свободного падения t / τff (см. Также приложение SI , рис. S3 и S4). Черная штрихпунктирная линия указывает азимутальную ϕ-ширину, покрываемую решеткой термопар в лабораторном эксперименте.Мгновенное положение LSC ξLSC обозначено зеленой линией с относительно небольшими изгибами. Напротив, скакалка LSC вызывает сильные колебания теплового рисунка, при этом более теплая жидкость (затем более холодная жидкость) занимает от одной трети до двух третей окружности, создавая то, что похоже на перегородки аккордеона. ( B ) Условно усредненные профили DNS температурной боковой стенки для 12 фаз колебаний скакалки. Они показывают разделение холодного нисходящего потока LSC при t = 0 (темно-синий) и горячего восходящего потока LSC при t = τ0 / 2 (темно-пурпурный) на четкие двойные минимумы и максимумы соответственно.Несоответствие профилей при t = τ0 / 4 (голубой) и t = 3τ0 / 4 (светло-пурпурный) предполагает, что движение является трехмерным. Серые линии — это профили остальных восьми фаз колебаний. Общее среднее (черная пунктирная линия) дает простую функцию косинуса.

Рис. 5.

Усредненный по окружности сигнал температуры на средней высоте Tavg от DNS с Pr = 0,025, Ra = 1,12 × 106 и Γ = 2. Пурпурные (синие) направленные вниз (вверх) треугольники отмечают выбранные вручную максимумы (минимумы). Горизонтальные пунктирные линии соответствуют кратным SDσ Tavg, заданному как ± n4σ, n∈ {1,3,5}, которыми мы разделили интервалы условного усреднения.Частота колебаний сигнала совпадает с f0, полученным в центральной точке, показанной на рис. 3, и является одной из наиболее доступных схем идентификации для вихря скакалки.

Чтобы полностью диагностировать трехмерные характеристики LSC в DNS, мы сначала определили положение LSC в пределах области текучей среды для каждого снимка. Расширение метода односинусоидальной подгонки Cioni et al. (12) и Brown et al. Согласно формуле (33) распределение температуры боковой стенки средней плоскости каждого снимка соответствует функции Tfit (ϕ) = a⁡cos (ϕ − ξLSC) + b⁡cos (2 (ϕ − ξLSC)) + Tavg, [1] где ξLSC обозначает симметрию самолет LSC (т.е., зеленая линия на рис. 4 A и SI Приложение , Movie S1). Значения a и b дают относительные амплитуды сигналов горячей и холодной боковой стенки.

При Γ = 2 наблюдается сильная квазипериодическая временная осцилляция в сигнале Tavg с частотой f0 (см. Материалы и методы , и рис. 5), однако мы не обнаруживаем выраженных колебаний азимутального угла ξLSC ( см. рис.4 A ). Частота f0 согласуется с определенными из спектров, представленных на рис.3 A — D . Такое поведение сильно отличается от измерений, проводимых в сосудах Γ∼1 (например, ссылки 8, 14, 18, 34, 35), где временные колебания существуют в азимутальном угле ориентации ξLSC и соответствуют горизонтальному покачиванию (см. Приложение SI. , рис. S3 для сопоставления результатов Γ = 2 и Γ = 1). Независимо от значения Γ, спектральные измерения температуры и скорости показывают низкочастотный пик. Браун и Алерс (18) и Си и др. (19) интерпретируют низкочастотный пик в спектре второго момента Фурье (b из исх.1) как признак горизонтального смещения. Напротив, мы также обнаруживаем значительную низкочастотную изменчивость b из-за режима скакалки. Это означает, что одних спектров недостаточно, чтобы сделать выводы о морфологии потока LSC.

Мы разложили период колебаний τ0 = 1 / f0 на 12 фаз на основе среднеквадратичного значения температуры средней поверхности боковой стенки. Используя эти 12 этапов, условно усредняются 10000 снимков, находящихся на одинаковом временном расстоянии, за общий промежуток времени t / τff = 1000.В этой операции мы сначала ориентируем решение так, чтобы плоскость симметрии LSC оставалась фиксированной по азимуту, а затем усредняли поля температуры и скорости при тех же временных значениях фазы, как показано в SI Приложение , Movie S2.

Наши 12 условно усредненных температурных профилей средней плоскости и боковины показаны на рис. 4 B . В соответствии с предыдущими квазипланарными исследованиями LSC, среднее значение всех фаз дает функцию косинуса (пунктирная черная линия). Однако наше условное усреднение также выявляет более сложную термическую структуру с тремя экстремумами на профилях t = 0 и t = τ0 / 2, со структурой либо двойные максимумы — одиночный минимум, либо двойные минимумы — одиночные максимумы.Таким образом, наше условное усреднение извлекает информацию о наличии дополнительной сложности в динамике LSC. Кроме того, чистая косинусная функция отсутствует при t = τ0 / 4 и t = 3τ0 / 4, что требует наличия пространственно-временной сложности в поле потока LSC.

Конвективный поток можно понять, только рассматривая LSC как полностью трехмерную вихревую структуру, ядро ​​вихря которой проходит по траектории, аналогичной траектории скакалки, которая проходит вокруг резервуара в направлении, противоположном направлению самого потока LSC.Движение вихря скакалки иллюстрируется линиями тока, которые описывают ядро ​​вихря на рис. 1. В центре вихря (розовая структура типа Хернхена) величина скорости равна нулю. Как показано в приложении SI , Movie S2 и S4, а также в приложении SI , рис. S1, движение жидкости LSC происходит по часовой стрелке, тогда как движение сердечника LSC происходит против часовой стрелки, как в планетарной передаче. .

Подробно рассматривая цикл вихря скакалки, мы обнаруживаем, что при t = 0 ядро ​​LSC ограничено горизонтальной средней плоскостью z = H / 2 (рис.1 В ). В это время ядро ​​вихря приближается к боковой стенке средней плоскости, сталкиваясь с существующим там холодным нисходящим потоком. Это разделяет нисходящую жидкость на две ветви, создавая два отчетливых минимума в профиле температуры средней плоскости t = 0 (рис. 4 B ). Движения расщепления порождают расходящиеся по горизонтали потоки, которые объясняют измерения экспериментального поля скорости хордовым зондом (рис. 2 D ). По необходимости на другой стороне резервуара теплый восходящий поток коллимируется, создавая волну высокого давления вдоль нижнего пограничного слоя.Мы предполагаем, что эта коллимация способствует возникновению нестабильности и, таким образом, отрыву теплых конвективных струй, которые более энергично перемещают LSC в нижней половине цилиндра, в основном вдоль плоскости ξLSC, и толкают центр LSC вверх, вызывая расширение теплый апвеллинг.

Мы находим при t = τ0 / 4 (рис. 1 A и C ), что ядро ​​вихря больше не ударяется о среднюю плоскость, а переместилось в верхнюю половину резервуара, а LSC растянулся до самой своей длины. длина эллиптического пути.На этом этапе холодный нисходящий поток все еще разделен, но экстремумы температуры средней плоскости менее выражены. Мы находим зеркальные движения при τ = 0 и τ = τ0 / 2 и аналогично при τ = τ0 / 4 и τ = 3τ0 / 4, тем самым создавая симметричный цикл скакалки (рис. 1 B — D ).

Сводка и обсуждение

Мы подтвердили, что наблюдаемое поведение скакалки не является уникальным для тепловой конвекции в малых жидкостях Pr, путем моделирования воды с Pr = 4,38 и Ra = 108 (см. Приложение SI , рис.S3). Схема грубого условного усреднения показывает, что основная мода скакалки обнаруживается при Γ = 2. Частота колебаний в этой жидкости намного ниже, а тепловое и кинематическое поля потока одинаково турбулентны, так что сигналы температуры боковой стенки гораздо менее выражены (см. Приложение SI, приложение ).

Наши результаты дополняют фундаментальный взгляд на LSC. На основе наших совместных лабораторно-численных экспериментов мы обнаружили, что LSC в контейнере Γ≥2 не ограничивается квазидвумерной плоскостью циркуляции, возмущенной режимами трехмерного скручивания и горизонтального покачивания.Вместо этого мы обнаруживаем, что LSC имеет доминирующее трехмерное ядро ​​вихря, которое движется в полностью трехмерном движении, подобном скакалке, в направлении, противоположном направлению поля потока LSC. Определение диапазона значений Γ, в котором это решение доминирует, все еще требует пояснения. Мы также предполагаем, что в рамках LSC существуют дополнительные 3D-режимы. Расширенные методы [например, разложение по динамическим модам (36), фильтрация Купмана (37)] в конечном итоге выявят полную динамику, лежащую в основе турбулентной конвекции в эффективно неограниченных системах.

Материалы и методы

Лабораторное оборудование.

Эксперименты проводились на установке RoMag (38, 39) с использованием жидкого металлического галлия, заключенного в правый цилиндр с соотношением сторон Γ = D / H = 2, диаметром D = 196,8 мм и высотой H = 98,4 мм. Боковые стенки контейнера изготовлены из нержавеющей стали, а торцы — из меди. Нагреватель с безиндуктивной намоткой обеспечивает мощность нагрева от 6 Вт до 1600 Вт на нижней медной торцевой стенке. Это тепло отводится термостатированной ванной, которая обеспечивает циркуляцию воды через теплообменник с двойной обмоткой, расположенный над верхней торцевой стенкой.Боковые стенки обернуты 20-миллиметровым слоем вспененной изоляции с закрытыми порами, затем 30-миллиметровым волокнистым тепловым покрытием Insulfrax и 30-миллиметровым слоем вспененной изоляции с закрытыми порами для минимизации радиальных потерь тепла.

Было проведено 23 эксперимента, в которых диапазон средних температур жидкости варьировался от 35 ○ C ≤Tm≤ 47 ○ C, а перепад температуры в слое жидкости составлял 0,28≤Δ≤19,36 K. Используя свойства материала для галлия (40 ) число Прандтля находится в диапазоне 0,026≤Pr≤0.028 и число Рэлея между 7,1 × 104≤Ra≤5,1 × 106. Ультразвуковая доплеровская велосиметрия используется для измерения мгновенного распределения скорости вдоль четырех различных линий измерения, как показано на рис. 2. Этот метод полезен для неинвазивного измерения скоростей в непрозрачных жидкостях (29, 41, 42). Преобразователи (TR0805SS, Signalprocessing SA) улавливают составляющую скорости, параллельную их ультразвуковому лучу, с разрешением около 1 мм в пространстве и 1 Гц во времени. Все преобразователи находятся в прямом контакте с жидким металлом.Они приблизительно ориентированы в плоскости симметрии ЛСК, за исключением хорды, перпендикулярной ей.

Всего в эксперименте используется 29 термопар. Шесть термисторов встроены в каждую из медных торцевых стенок на расстоянии 2 мм от слоя жидкости и используются для определения Tm и Δ. Семь термисторов распределены внутри слоя жидкости, а 15 термопар размещены по периметру вне объема жидкости на средней высоте z / H = 0,5. Тринадцать из этих термопар расположены в группе на расстоянии 10 градусов друг от друга и используются в экспериментальной группе на рис.4 А . Временное разрешение тепловых измерений составляет 10 Гц. Эксперименты проводятся до достижения равновесия, когда тепловые сигналы изменяются менее чем на 1% за 30 мин. Затем данные сохраняются в течение от трех до шести периодов термодиффузии. При постобработке термопары, помещенные между слоями изоляции, позволяют оценить потери тепла на боковых стенках. Кроме того, учитываются тепловые потери за счет вертикальной проводимости в боковой стенке из нержавеющей стали, а верхняя и нижняя температуры жидкости корректируются с учетом теплопроводности в медных торцах.z, [3] DtT = Ra − 12Pr − 12γ − 32∇ → 2T, [4] где γ — соотношение сторон радиуса к высоте R / H = Γ / 2. Радиус R, скорость плавучести (gαRΔ) 1/2, разность температур Δ и свойства материала при Tm используются в качестве опорных масштабов. Механические граничные условия — это отсутствие проскальзывания на всех твердых стенках, а температурные граничные условия изотермические для верхней и нижней части и идеально изолирующие для боковых стенок.

Числовое разрешение для основной DNS с Pr = 0,025, Ra = 1,12 × 106, Γ = 2 составляет Nr × Nϕ × Nz = 168 × 171 × 168; общее время работы составило 1000 единиц времени свободного падения после достижения статистически устойчивого состояния.Полученные результаты проверены на более мелкой ячейке 280 × 256 × 280. Кроме того, DNS для тех же Pr и Ra также проводились с меньшим соотношением сторон Γ = 2 для t = 100τff и Γ = 1 для t = 500τff. При Γ = 2 доминирующим движением LSC является скакалка, тогда как при Γ = 1 это хорошо изученная комбинация качательных и скручивающих движений. Зависимость доминирующей моды LSC от Γ была также подтверждена в жидкостях с умеренным Pr с помощью DNS с Pr = 4,38 и Ra = 108 и соотношением сторон Γ∈ {1, 2} со временем пробега t ​​= 1414τff и t = 612τff, соответственно (см. SI Приложение , рис.S3 и S4).

Условное усреднение.

Температурный сигнал Tavg = ⟨T (r = R, z = H / 2) ⟩ϕ, то есть температура боковой стенки на средней высоте, усредненная в азимутальном направлении, демонстрирует отчетливые колебания с частотой f0, показанные на рис. 5. Чтобы извлечь характерное поведение в течение одного цикла, мы сделали выборку 10 снимков за единицу времени, в результате чего в общей сложности получилось 10 000 снимков. Затем мы определили семь интервалов на основе SDσ Tavg границами −54σ, −34σ, −14σ, 14σ, 34σ, 54σ. Для | Tavg |> 54σ все снимки в этих интервалах были усреднены.В остальных интервалах мы дополнительно рассматривали, находился ли сигнал в фазе повышения или понижения температуры соответственно. Это было достигнуто алгоритмически путем определения, находится ли моментальный снимок между максимумом и минимумом или между максимумом и минимумом. Однако из-за возможного появления нескольких множественных локальных экстремумов в течение одного цикла нам пришлось вручную выбрать максимумы и минимумы, как показано на рис. 5. Результатом явилось 12 интервалов усреднения.

Благодарности

Мы благодарим двух анонимных рецензентов и редактора за их конструктивные отзывы.Эта работа была поддержана премией NSF Geophysics Program Award 1547269.