Tải xuống tài liệu () của 20
Chúng tôi tạo nên những điều quan trọng*

Lực nổi: động lực của đối lưu tự nhiên

Lực nổi là gì?

Lực nổi là yếu tố giúp tàu thuyền nổi trên mặt nước và khinh khí cầu bay lên. Đó là lý do nước trong đại dương phân tách với không khí trên bầu trời. Điều này là do sự chênh lệch về khối lượng riêng giữa các lưu chất khác nhau.

Lực nổi là áp suất sinh ra do động năng của tất cả các phân tử lưu chất chuyển động và va chạm với nhau cũng như với bất kỳ vật thể nào ở gần đó. Mặc dù động năng này tạo ra lực tác động theo mọi hướng, lực đối kháng lớn nhất của nó là trọng lực

Nguyên lý khoa học của lực nổi

Lực nổi phụ thuộc vào khối lượng riêng của chất lỏng. Chất lỏng có khối lượng riêng lớn hơn hoặc lạnh hơn có động năng thấp hơn so với chất lỏng có mức độ kích động nhiệt cao hơn, do đó chúng tạo ra áp suất thấp hơn lên các phân tử xung quanh. Vì chất lỏng này tạo ra áp suất thấp hơn, trọng lực tác động lên nó mạnh hơn so với các chất lỏng ấm hơn. Đây là lý do tại sao không khí lạnh chìm xuống và không khí ấm bốc lên.

Tại sao lực nổi lại quan trọng trong quản lý nhiệt?

Đối lưu tự nhiên

Lực nổi là động lực thúc đẩy đối lưu tự nhiên, trong đó chênh lệch áp suất giữa không khí được các nguồn nhiệt làm nóng và không khí xung quanh đẩy không khí nóng di chuyển lên trên và ra xa nguồn nhiệt. Không khí nóng bốc lên, mang theo năng lượng đã hấp thụ, từ đó lấy đi lượng năng lượng nhiệt khỏi khu vực xung quanh các nguồn nhiệt. Sau đó, không khí xung quanh mát hơn di chuyển vào để thay thế không khí nóng đã đi lên. Quá trình không khí nóng đi lên và không khí mát thay thế vào chỗ tạo ra một dòng khí liên tục mà không cần đến bất kỳ cơ chế chủ động nào để dẫn truyền.

Lợi ích của đối lưu tự nhiên

Một trong những điểm chính của đối lưu tự nhiên là cho phép truyền nhiệt mà không cần thêm chi phí và thời gian lắp ráp do việc tích hợp quạt vào sản phẩm. Quạt hoặc bộ thổi khí có thể làm giảm độ tin cậy tổng thể của thiết bị vì chúng được dẫn động bằng động cơ, vốn có thể bị hao mòn và hỏng hóc sau thời gian dài sử dụng sản phẩm.

Cách tận dụng lực nổi và đối lưu tự nhiên

Vì lực nổi giúp chất lỏng di chuyển lên trên, ngược với trọng lực, nên các bề mặt tản nhiệt cần được bố trí theo cùng hướng với vectơ trọng lực. Thông thường, bề mặt này là bộ tản nhiệt. Chiều dài lớn nhất của bề mặt bộ tản nhiệt cần được bố trí thẳng đứng, để khi không khí mát tiếp xúc với phần dưới của bộ tản nhiệt, nó sẽ di chuyển lên trên, tiếp tục được làm nóng và làm tăng chênh lệch áp suất.

Đối lưu tự nhiên và hiệu ứng ống khói

Eaton large natural thermal convection fin
Bằng cách tối ưu hóa lượng không khí có thể được hút vào các khe giữa các cánh tản nhiệt và chiều dài của bộ tản nhiệt, bạn có thể dễ dàng sử dụng đối lưu tự nhiên để làm mát các thiết bị gắn trên bề mặt bộ tản nhiệt. Thông thường, các bộ tản nhiệt có hiệu suất đối lưu tự nhiên tốt sẽ có khoảng cách giữa các cánh vào khoảng 0,25 inch (6,35 mm). Khoảng cách này tạo đủ không gian giữa các cánh để chứa các lớp biên hình thành trên bề mặt từng cánh mà vẫn cho phép không khí nóng lưu thông lên trên.
Hướng đặt bộ tản nhiệt cho đối lưu tự nhiên
Vì đối lưu tự nhiên dựa vào trọng lực để tạo ra luồng không khí nổi, các kỹ sư thiết kế cần xem xét hướng bố trí của bộ tản nhiệt. Lý tưởng nhất là chiều dài dòng chảy dọc các cánh tản nhiệt nên cùng phương với vectơ trọng lực. Điều này tạo ra kênh để không khí nóng tự nhiên bốc lên khi khối lượng riêng của nó giảm xuống.

Nếu ứng dụng không cho phép bố trí theo phương thẳng đứng cho chiều dài dòng chảy dọc theo cánh, thì nên đặt các đầu cánh hướng lên trên và phần đế của bộ tản nhiệt hướng xuống dưới.
Eaton large natural vertical heat sink
Eaton large natural inverted heat sink
Hai hướng bố trí bộ tản nhiệt cần tránh là phần đế nằm ở bên hông, khiến chiều dài dòng chảy theo cánh nằm theo phương ngang, hoặc phần đế hướng lên trên. Cả hai hướng đặt này đều cản trở khiến không khí nóng không thể dễ dàng bốc lên và thoát khỏi bộ tản nhiệt, từ đó làm giảm hiệu quả của đối lưu tự nhiên.