ГОСНИК телотехники / ТМО / ТМО2010_ответы / Собрано

31.Схема Нуссельта для описания конвективного теплообмена.

Предположение, выдвинутое немецким физиком В.Нуссельтом о том, что каким бы ни был режим вынужденного или свободного течения жидкости, в любом случае у поверхности твердого тела формируется ламинарное движение.

На рис. 2.1 изображено распределение температуры, которая изменяется от значения TW на омываемой поверхности до температуры Tf ,0 невозмущенной части

коэффициент молекулярной теплопроводности движущейся среды (находится из

(2.1) и (2.2), получаем зависимость для определения в рассматриваемом сечении

33.Внешняя и внутренняя задача конвективного теплообмена: особенности формирования теплового и гидродинамического пограничного слоѐв, эффекты стабилизации

Особенность внешнего вынужденного обтекания тел - поток жидкости (газа) по нормали к омываемой поверхности простирается достаточно далеко от нее.

Формирование на поверхности обтекаемой пластины динамического пограничного слоя. У передней кромки пластины x = 0 профиль скоростей равномерный (скорость равна w ). Скорость более удаленных от поверхности слоев потока становится меньшей, чем w , толщина динамического пограничного слоя становится больше. - такое

расстояние, на котором w мало отличается от w . Во внешней задаче нет принципиальных ограничений на величину , она может стать сколь угодно большой.

Формирование теплового пограничного слоя. По мере продвижения потока от передней кромки (x = 0) большей становится толщина теплового пограничного слоя Т. T - расстояние, на котором Tf мало

задаче нет принципиальных ограничений и на величину Т.

Формирование в круглой трубе динамического пограничного слоя.

Во входном сечении трубы x = 0 профиль скоростей равномерный (скорость w0) Чем дальше отстоит сечение потока от входного, тем большей становится толщина динамического пограничного слоя , w0,1 > w0. На расстоянии от входа, равном (L / d )г,стаб , толщина пограничного слоя становится равной радиусу трубы = d/2. Дальнейшее увеличение невозможно и профиль

скорости в потоке не изменяется в его более удаленных от входа в трубу сечениях. Во внутренней задаче, есть предел увеличению толщины динамического пограничного слоя и вследствие этого имеет место явление гидродинамической стабилизации течения.

Формирование в круглой трубе теплового пограничного слоя.

температура поверхности трубы TW везде одинакова. По мере удаления потока от входного сечения толщина теплового пограничного слоя T становится все большей, и в сечении, отстоящем на расстоянии (L / d )т,стаб , она максимальна и равна радиусу трубы T

= d/2. Во внутренней задаче есть предел увеличению толщины теплового пограничного слоя и вследствие этого имеет место явление тепловой стабилизации в том смысле, что, начиная с определенного сечения потока, число Нуссельта остается неизменным.

34.Переход течения на пластине из ламинарного в турбулентное и связанное с ним изменение нарастания толщины пограничного слоя и теплоотдачи

При внешнем обтекании пластины потоком жидкости (газа), начиная от передней кромки, сначала формируется ламинарный пограничный слой. Движение в пограничном слое, начиная с расстояния от передней кромки x xкр ,

соответствует чередующимся во времени и в пространстве ламинарному и турбулентному

течениям – переходной области течения. За ней течение на пластине становится турбулентным. Для практических приложений полагают, что на пластине имеются лишь участки ламинарного и турбулентного течений.

В гидромеханике установлено, что толщина ламинарного пограничного слоя равна

Структура турбулентного пограничного слоя весьма сложна, и в настоящее время его условно разбивают на три участка (трехслойная модель Т. Кармана – В. Шваба), которые отличаются друг от друга относительной интенсивностью молекулярного и молярного (турбулентного) механизмов переноса количества движения, тепла, вещества и т.д. В пристенном, вязком подслое преобладает молекулярный механизм обменных процессов. В буферном подслое, который является промежуточным между турбулентным ядром потока и вязким подслоем в основном преобладает молярный механизм переноса по сравнению с молекулярным. В турбулентном же ядре потока интенсивность молекулярного переноса пренебрежимо мала.

36.Особенности формирования динамического пограничного слоя во внутренней задаче

Формирование динамического п.с. в круглой трубе: во входном сечении трубы профиль скоростей равномерный (в этом сечении скорость везде одинакова и равна среднерасходной скорости w0). Чем дальше отстоит сечение потока от входного, тем глубже в поток проникает тормозящее действие стенки и тем большей становится толщина динамического пограничного слоя . Скорость w0,1 > w0, так как расход жидкости или газа через трубу неизменен в любом сечении. На расстоянии от входа, равном (L / d )г,стаб , пограничный слой смыкается на оси трубы (толщина становится

изменяется в более удаленных от входа в трубу сечениях.

Во внутренней задаче есть предел увеличению толщины динамического п.с. – он равен радиусу трубы. Вследствие этого имеет место явление гидродинамической стабилизации течения.

Детальная картина течения в канале зависит от величины критерия Рейнольдса, определяемого по формуле

в которой dЭ – эквивалентный диаметр поперечного сечения канала, вычисляемый

как

где f и P – площадь поперечного сечения канала и его смоченный периметр. Для технически гладких труб при Re < 2320 имеет место ламинарное течение в

трубе, а при Re > 104 – турбулентный режим. В диапазоне 2320 < Re < 104 режим течения является переходным, в котором чередуются указанные выше ламинарное и турбулентное течения.

37.Особенности формирования теплового пограничного слоя во внешней задаче

Обтекание пластины с одинаковой температурой поверхности TW потоком жидкости (газа) с температурой Tf , в каждой точке сечения у передней кромки: По мере

продвижения потока от передней кромки вглубь него проникает «холодящее» действие стенки, так как TW < Tf , , и тем большей становится толщина теплового пограничного

слоя Т. Под величиной T понимается такое расстояние по нормали к точке на обтекаемой поверхности, на котором температура Tf мало отличается от температуры

Tf , невозмущенной в тепловом отношении части течения.

Во внешней задаче нет принципиальных ограничений на величину Т: она может стать любой.

38.Особенности формирования теплового пограничного слоя во внутренней задаче

Формирование теплового п.с. в круглой трубе: во входном сечении трубы профиль температуры T f ,0 в потоке равномерный, а температура поверхности трубы TW везде

максимальна и равна радиусу трубы T = d/2. В этом сечении тепловой п.с. сомкнулся на оси трубы и дальнейшее увеличение T становится невозможным. Однако профиль температуры в потоке будет изменяться вниз по течению, так как процесс теплообмена

Во внутренней задаче есть предел увеличению толщины теплового пограничного

39.Стабилизация конвективного теплообмена по длине канала в ламинарном и турбулентном режимах течения

При ламинарном режиме течения сила инерции становится пренебрежимо малой по сравнению с силой вязкостного трения, а мера их отношения – критерий Рейнольдса – вырождается и выпадает из числа аргументов для описания интенсивности теплообмена.

При турбулентном режиме течения даже при стабилизировавшемся профиле скорости вследствие турбулентных пульсаций в потоке существенными являются и инерционные силы и силы вязкостного трения, так что мера их отношения – критерий Re

– должна быть включена в качестве аргумента для числа Nu. Турбулентные же пульсации температуры на участке стабилизировавшейся теплоотдачи приводят к тому, что существенным для интенсивности теплопереноса в потоке остается и критерий Pe.

Интенсивность стабилизированного теплообмена (когда L / d (L / d )т,стаб ) при

ламинарном течении определяется в круглой трубе следующим образом:

а) если поверхность трубы является изотермической

Nu d / f 3,66,

б) если плотность теплового потока в стенку трубы везде одинакова

Критериальные формулы для описания теплообмена в ламинарном режиме течения (0 < Re < 2320) должны учитывать наложение на течение жидкости (газа) термической свободной конвекции, которая возникает при значительных разностях температур потока и омываемой поверхности. При этом если труба расположена горизонтально, то на продольное движение жидкости накладывается ее поперечное течение. В том же случае, когда труба расположена вертикально, на продольное движение накладывается восходящее (температуры трубы выше температуры потока) или нисходящее течение. Учет влияния свободной конвекции на вынужденное ламинарное движение и теплообмен в канале производят в том случае, когда величина критерия Рэлея, вычисленная с использованием в качестве характерного размера внутреннего диаметра трубы, соответствует неравенству Ra Ra 0 5 105 .

При турбулентном режиме течения в канале (Re > 104) длина участка тепловой стабилизации в настоящее время принимается равной

(L / dЭ )т,стаб 10 15

и для описания теплообмена рекомендуется формула Крауссольда–Михеева, полученная на основании обработки огромного количества экспериментальных данных.