対流（Convection）

冷却におけるニュートンの法則によれば、温度 T_s の表面から温度 T_f の周囲の流体への熱伝導率は次の方程式によって与えられます。

q_c = h A (T_c - T_air)

ここで、熱伝達係数 h の単位は W/m².K または Btu/s.in².F です。係数 h は熱力学的性質を示しません。流体の状態とフロー条件については簡略化されているため、流動性と呼ばれる場合があります。

対流は、境界層の概念に関係しています。境界層とは、一つの面の間の薄い伝導層のことで、周囲が静止した分子と流体の流れに接していると仮定されています。このことが、平板上の流れとして下の図に示されています。

ここで、u(x,y) は X 方向の速度です。自由流速度の 99% として定義された流体層の外縁までの領域は、流体境界層厚さ δ(x) と呼ばれています。

同じような図を表面から周囲への温度遷移として作成することができます。温度変化を下の図に示します。温度境界層厚さは、流体のものと同じにする必要がないことに注意してください。プラントル数を構成する流動性が、2 種類の境界層の相対的な大きさを決定します。1 のプラントル数（Pr）は、両境界層が同じ性質であることを意味します。

Y方向での境界層を通る熱の移動の実際のメカニズムは、壁と隣接している静止流体での熱伝導が流体と境界層からの対流と等しくなります。これは次の式で表すことができます。

h A (T_s - T_f) = - k A (dT/dy)_s

与えられた状況に対する熱伝達係数は、熱伝導率と温度変化または面に隣接した温度勾配と温度変化を測定することによって、評価することができます。

境界層を超えた温度勾配の測定方法は高い精度が必要なため、通常は研究室で実行されます。多くの手引き書に、さまざまな構成に対する対流熱伝達係数の値が表形式で紹介されています。

下の表に対流熱伝達係数の代表的な値を示します。

プラントル数は、速度と温度の境界層の厚さに関するパラメータで、次の式で与えられます。

ここで、ν は運動学的粘性、α は熱拡散、ρ は流体密度、κ は液体の熱伝導率、c_p は液体の常圧における熱容量を表します。

液体の運動学的粘性 ν は、分子運動によって運動量が液体を通して拡散する割合を明らかにします。熱拡散 α は、液体内の熱の拡散に関する情報を明らかにします。この二つの量の割合は、液体内の運動量と熱の拡散の相対的な大きさを意味します。