自然对流是一种传热的类型，广泛存在于所有工程应用中。例如，它可以帮助小型电子设备和大型建筑物维持合适的温度。无论在哪个应用领域，设计工程师都可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件模拟二维和三维几何中的自然对流。
自然对流传热
自然对流过程（也称为浮力流或自由对流）包括温度和密度梯度，这些梯度通过移动流体（如空气）传热。与强制对流不同，自然对流不需要风扇或外部源，只需要存在温度和密度差即可产生流体流动。
空气中的自然对流在各行各业当中都有着广泛的应用。在电子领域，这种现象会耗散设备中的热量，从而防止设备过热。诸如太阳能烟囱和特朗布壁（Trombe walls）之类的结构也会利用这种传热方法对建筑物进行加热和冷却。此外，农业产业也依靠自然对流干燥存储各种产品。
通过垂直电路板的空气自然对流。
使用 COMSOL Multiphysics® 软件，可以研究二维和三维模型在空气中的自然对流。下面，我们看一个例子。
模拟空气中的自然对流
在 COMSOL 案例库中，空气中的浮力流教程展示了如何对在两种几何形状中空气的自然对流进行模拟：
- 二维正方形
- 三维立方体
上述两种情况，除了左侧和右侧边缘分别被设置为低温和高温外，其他边缘均隔热。温差（约 10K）会在空气中形成密度梯度，从而产生浮力流。请注意，立方体的边多于正方形，这会影响空气的流动方式。
为了简化模型设置，我们可以使用 COMSOL Multiphysics 中的一些内置功能。首先是预定义的非等温流动 接口，该接口会耦合模型中的流体动力学和传热。我们还可以使用材料库轻松确定空气的热物理性质。
接下来，我们可以通过计算格拉斯霍夫数（Grashof numbers）、瑞利数（Rayleigh numbers）和普朗特数（Prandtl numbers）估计流态。格拉斯霍夫数和瑞利数表明流动是层流的，速度约为 0.2 m/s。对于普朗特数，它表明黏度不影响空气的浮力，且剪切层的厚度约为3mm。
如果想获取更多关于估算流态的详细信息，请从 COMSOL 案例库中下载模型文档。
注意：水中的浮力流教程 演示了一个用水代替空气的类似模型设置。
查看二维和三维仿真结果
首先，我们先来查看二维正方形中空气速度大小的模拟结果。在下左图中，可以看到速度随着空气靠近左和右边缘而增加，最大速度为 0.05m/s。尽管这比使用格拉斯霍夫数和瑞利数计算的估算速度略低，但仍属于相同的数量级。此外，其剪切层厚度（3mm）与普朗特数的估计值一致。
二维正方形中空气的速度大小（左）和速度曲线（右）。
如下图所示，三维立方体中空气速度大小的模拟结果与二维正方形中空气速度大小的结果相似。
立方体中速度的大小。
接下来，我们来看一下二维几何形状中温度的模拟结果。正方形充满了单个对流单元，且空气在边缘周围流动。可以看到，在左右两侧温度差最大的地方，空气流动更快。
正方形的温度场。
三维几何的模拟结果出现了稍微不同的情况。在垂直于受热面的垂直平面角部的立方体中有小的对流单元。如前所述，这种差异很可能是由于立方体的正面和背面气流影响所导致的。
三维立方体中的温度和速度场。
后续操作
本文介绍的空气中的浮力流教程中的模型几何非常简单，但是该示例可为我们在实际应用中使用更复杂的模型模拟自然对流打下坚实的基础。
有关此示例的更多详细信息，请点击上方按钮至 COMSOL 案例库下载 MPH 文件，并获取有关如何建立模型的步骤说明。
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