2.1. Вынужденная конвекция

При вынужденной конвекции движение жидкости или газа вызвано не нагревом жидкости, как это наблюдается при естественной конвекции, а воздействием некоторой внешней силы. Энергия, поступающая извне, необходима для поддержания движения жидкости; при этом действуют две силы – давление жидкости, зависящее от скорости потока и сила трения, обусловленная вязкостью жидкости. Влияние этих сил на теплоотдачу характеризуется безразмерным параметром – числом Рейнольдса

, (2.11)

где V – скорость потока жидкости или газа вдали от поверхности тела; – кинематический коэффициент вязкости; х – характерный размер тела. Средний (так же как и локальный) коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции зависит, от теплофизических свойств жидкости (газа), скорости потока и от геометрии поверхности теплообмена. Указанная зависимость может быть выражена в безразмерной форме следующим образом:

(2.12)

При конвекции в газе поправка не учитывается. Поскольку динамический коэффициент вязкости идеального газа  связан с коэффициентом теплопроводности  следующим соотношением, называемым формулой Эйкена:

, (2.13)

то, кинематический коэффициент вязкости (входящий в Re) можно рассчитать по формуле

, (2.14)

где Т – температура газа; р – давление газа. Формулы (2.13) и (2.14) можно использовать при отсутствии табличных значений коэффициента вязкости газа.

Задача настоящей работы состоит в экспериментальном определении средних коэффициентов теплоотдачи при свободной и вынужденной конвекции воздуха около тел различной геометрии и сравнении опытных данных с расчетными зависимостями.

3. Описание лабораторного стенда

3.1. Общее описание стенда

Опытное изучение конвективной теплоотдачи проводится на стенде ЛКТТ-1 “ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КОНВЕКЦИИ И ОБДУВЕ”, позволяющем исследовать естественную и вынужденную конвекцию вблизи следующих объектов:

1. горячего стержня;

2. горячей круглой пластины (диска);

3. горячего шара;

4. ребристого радиатора.

Рис.1. Комплекс ЛКТТ-1.

Исследуемые объекты размещаются на плите-основании 1.1 или на держателе объектов 1.2 (рис.1). Зона размещения объектов закрыта прозрачным кожухом 1.3, предохраняющим режим конвекции от воздействия дуновений окружающего воздуха. Через коммутатор 4 объекты и дополнительные датчики температуры подключаются к измерительной системе ИСТ-4К (поз.3), размещенной в каркасе 2.

Держатель объектов (рис.2) закреплен на стенке кожуха. Он содержит поворотную опору 1 с шкалой 0-90⁰ и соединенный с опорой кронштейн 2 для установки объектов. Объекты (стержень, пластина, шар) закреплены на стержнях, заканчивающихся трубкой, которая надевается на кронштейн 2 и фиксируется расположенным внутри трубки магнитом. Поворотная опора позволяет изменять ориентацию объекта с шагом 15⁰. Штырь 3 фиксирует ориентацию объекта относительно опоры и обеспечивает поворот его вместе с опорой.

Рис.2. Держатель объектов

Доступ к держателю объектов, модулю «РАДИАТОР» и коммутатору осуществляется через окно в передней части кожуха. Окно закрыто откидной дверцей. В крайних положениях (открытом и закрытом) дверца удерживается магнитами.

На стенде применены резистивные платиновые датчики температуры HEL-700-U-1-A фирмы Honeywell. Сопротивление датчика равно 1000 1 Ом при температуре 0 ⁰С и линейно растет с ростом температуры с коэффициентом 3,75 Ом/градус. В датчике создается постоянный ток (около 1 мА) и по напряжению на датчике определяется его температура.