13.1. Основні поняття й визначення

При конвективном теплообміні теплота одночасно переноситься конвекцією й теплопровідністю. Розрізняють вимушену й вільну конвекцію. Вільна виникає під дією різниці густин нагрітих і холодних об'ємів рідини. Вимушена виникає під дією сил, що спричиняють напрямлений рух рідини або газу (робота насоса, вентилятора й ін.). КТ підкоряється закону Ньютона-Ріхмана: – диференціальна форма, ,

де t_с, t_р – температура стінки й рідини, ^оС; F – площа поверхні теплообміну, м²;  - коефіцієнт тепловіддачі . Коефіцієнт тепловіддачі чисельно дорівнює кількості теплоти, що проходить в одиницю часу через одиницю площі поверхні при різниці температур між стінкою й рідиною в один градус. Якщо  визначається для елемента поверхні, то його називають місцевим або локальним, . Якщо  визначається для всієї поверхні, то його називають середнім .

При русі рідини уздовж поверхні поблизу неї утворюється шар загальмованої рідини. Шар, у якому швидкість  змінюється від значення на стінці до швидкості незбуреного потоку, називається гідродинамічним прикордонним шаром. Він є основним термічним опором при переносі теплоти. Рух у шарі може бути ламінарним і турбулентним. У ламінарному шарі (товщина його _л, див. рис.) теплота переноситься теплопровідністю, тому зі збільшенням _л,  зменшується. У перехідному шарі  зростає й зі збільшенням товщини турбулентного шару _т дещо знижується і в області розвиненого турбулентного плину стабілізується. Турбулентний гідродинамічний шар складається з в’язкого підшару, товщиною _в.п., у якому вихри гасяться силами в'язкості. У турбулентному шарі теплота переноситься і конвекцією, й теплопровідністю. Шар рідини, у якому температура змінюється від значення на стінці до температури незбуреного потоку, називається тепловим прикордонним шаром.

13.2. Фізичний зміст критеріїв подібності

КТ описується системою диференціальних рівнянь:

1. Рівняння руху Нав’є-Стокса показує, що прискорення маси на одиницю об'єму дорівнює сумі усіх сил, діючих на об'єм: .

2. Рівняння енергії описує поле температур рідини, що рухається: .

3. Рівняння суцільності описує зміну густини рідини, що рухається: .

4. Рівняння тепловіддачі зв'язує  з полем температур «прилиплої» рідини

До рівнянь додають умови однозначності: геометричні, тимчасові, фізичні й граничні. Рішення складне, тому дослідження проводять експериментальним шляхом, а результати представляються у вигляді критеріальних рівнянь. У рівняння входять критерії (числа) подібності, складені з величин, що входять у рівняння, і крайові умови. Критерії безрозмірні.

Основні критерії:

1. Нуссельта - характеризує теплообмін на границі стінка-рідина, l – визначальний розмір (d, , H та ін.);

2. Рейнольдса – визначає режим руху середовища,  - динамічний коефіцієнт в'язкості;

3. Пеклє – характеризує вплив на теплообмін співвідношення між теплотою, перенесеною конвекцією й теплопровідністю, a – коефіцієнт температуропровідності;

4. Грасгофа – враховує вплив співвідношення між підомною силою й силою в'язкості;

5. Прандтля – враховує вплив теплофізичних властивостей;

6. Эйлера - характеризує відношення перепаду тиску до швидкісного напору.

Рівняння виду

називається критеріальным рівнянням, с – постійний коефіцієнт, n, m, k – показники степені, враховує гістерезис при зміні в'язкості в процесах нагрівання й охолодження.

Температура, при якій вибираються теплофізичні константи, називається визначальною.