2. Горизонтальные трубы
На большей части поверхности (и целиком на нижней поверхности) слой обычно ламинарный. При малых значениях числа (например, малом диаметре трубы) разрушение ламинарного течения происходит вдали, на сравнительно большой высоте от трубы (рис. б, в, как дымок от слабо тлеющей сигареты в спокойном воздухе). При умеренных почти на всей поверхности трубы слой ламинарный, но в верхней точке при отрыве от поверхности становится турбулентным. При больших турбулизация и отрыв происходит по значительной части верхней поверхности (рис. а).
а
б в
Рис. …
Определяющая температура и температурный напор – как в предыдущем случае вертикальной поверхности. Определяющий размер – наружный диаметр трубы . Следовательно, числа подобия
;
;
.
Здесь
также при
конвекция не проявляется, теплообмен
рассчитывают как чистую теплопроводность
в неподвижной жидкости.
При
используют уравнение
.
Соответственно для воздуха
.
Более точные современные уравнения подобия, в частности, с отдельным учётом Pr, можно найти в литературе, например,в [ ]
Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. Тепломассообмен: учебное пособие для вузов. – 3-е изд. – М.: Изд.дом МЭИ, 2006. – 550с. (в список литературы)
Свободная конвекция в замкнутом объёме
Здесь
предполагается, что жидкость получает
теплоту от поверхности с температурой
и отдаёт её поверхности с температурой
(
)
так, что процесс является установившимся.
Кроме указанных горячего и холодного
участков граница объёма жидкости может
иметь участки теплоизоляции.
1. Вертикальные каналы и щели
При
не очень большом отношении
высоты щели
к толщине
образуется один контур циркуляции (рис.
а), при малых
из-за взаимных помех восходящего вдоль
горячей границы и нисходящего вдоль
холодной потоков образуется несколько
отдельных циркуляционных контуров
(рис.
б).
а б
Рис.
2. Горизонтальные щели
Если нагрев и расширение жидкости сверху, то циркуляции и конвекции нет, только “чистая” теплопроводность (рис. ).
Рис.
Замечание. Подобная ситуация возникает зимой в озёрах, покрытых льдом, хотя там охлаждение сверху. Дело в том, что в диапазоне температур 0÷4°C вода ведёт себя аномально – не расширяется, а сжимается при повышении температуры. Поэтому в озёрах и реках обычно температура растёт от 0°C подо льдом до +4°C у дна, при этом перемешивания не происходит, теплообмен понижен, и реки не промерзают до дна.
Впрочем,
и при нагреве снизу в тонких слоях
(толщиной
)
при малом температурном напоре
,
а именно, при
,
как уже отмечалось выше, конвекция не
проявляется.
Рис.
При
,
если нагрев и охлаждение достаточно
равномерные, образуются чередующиеся
потоки ( фото эксперимента на рис.
… а, вид
сбоку). В плане они образуют шестигранные
ячейки (ячейки Бенара). В них в центре –
подъём жидкости, на периферии – опускание
(рис.
… б, в).
При
увеличении
ячейки разрушаются, и наступает
турбулентный режим.
а
б в
Рис. …
3. Шаровые и цилиндрические прослойки
В случае, когда горячим является внутреннее тело, жидкость вдоль его стенок поднимается вверх, напоминая картину обтекания в неограниченном пространстве. Стекающая с вершины жидкость в виде струи поднимается до наружной (холодной) поверхности, и вдоль неё опускается вниз. Однако опускание происходит не до низа полости, а лишь немного ниже уровня внутреннего тела. Под ним образуется зона, в которой почти отсутствует движение (рис. …). Это особенность такого рода схем.
Рис.
Если внутреннее тело холодное, то картина, как отмечалось выше, переворачивается “вверх ногами” – застойная зона вверху и т.д.
Фотографии экспериментов показаны на рис. . Фото “а” демонстрирует линии тока (струйки дыма), фото “б” – изотермы.
а б
Рис. …