10.5. Определяющая температура

Так как в процессе теплообмена температура жидкости меняется, то меняются и значения физических параметров, входящих во все критерии.

Температура при которой берутся значения физических констант потока, подставляемых в критерии подобия, называется определяющей температурой. В качестве определяющей может быть принята и температура стенки t_СТ, и средняя температура жидкости t_ж.ср, и средняя температура пограничного слоя t_{ср = .}

Чаще при выборе определяющей температуры руководствуются обстановкой опыта – какую температуру легче (а следовательно и надёжнее) можно определить во время эксперимента. В критериальных формулах определяющая температура обязательно отмечается индексом у символа каждого критерия. Например:

Re_ж – за определяющую принята средняя температура жидкости (газа);

Pr_сТ – за определяющую принята температура стенки;

Nu_ср – за определяющую принята средняя температура пограничного слоя.

При использовании критериальных зависимостей нужно строго следовать указанным индексам.

10.6. Конвективный теплообмен при вынужденном внешнем обтекании тел

10.6.1. Картина процесса.

Поток жидкости или газа со скоростью с₀ и температурой Т₀ обтекает плоскую пластину (рис. 10.4). На поверхности пластины образуется пограничный слой, толщина которого по мере удаления от передней кромки нарастает. Обычно пограничный слой является смешанным: на начальном участке – ламинарный; на определенном удалении от передней кромки пограничный слой переходит в турбулентный. Нужно иметь в виду, что переход ламинарного режима в турбулентный происходит на некотором участке, но для практических расчётов часто эту переходную зону условно заменяют точкой.

Координата х_п точки перехода определяется числом Рейнольдса: переход происходит при достижении Re некоторого критического значения

откуда

(10.22)

Величина Re_кр зависит от степени турбулентности (возмущённости) набегающего потока: чем слабее возмущён (турбулизирован) набегающий поток, тем больше Re_кр. Величина Re_кр при продольном обтекании плоскости пластины лежит в пределах от 4·10⁶ (невозмущённый поток) до 10⁵ и менее. Следовательно, положение точки перехода зависит от скорости, плотности и вязкости набегающего на пластину потока, а также от степени его возмущённости.

Рис.10.4. картина образования пограничного слоя направленности пластины

Если длина пластины l меньше x_п, то вся пластина будет покрыта ламинарным пограничным слоем. Если турбулентность набегающего потока велика, а пластина имеет сравнительно большую длину, то практически вся она может быть покрыта турбулентным пограничным слоем.

Рассмотрим изменение α по длине пластины. Поскольку по мере удаления от передней кромки толщина пограничного слоя увеличивается, то растет и термическое сопротивление между внешним потоком и пластиной. При неизменном режиме течения в пограничном слое это приводит к понижению интенсивности теплообмена и уменьшению коэффициента теплоотдачи (рис. 10.5,а). Если в пограничном слое происходит переход ламинарного режима в турбулентный, то в месте перехода коэффициент теплоотдачи возрастает (рис. 10.5,б), так как возникает дополнительный перенос тепла за счёт турбулентного перемешивания. Таким образом, интенсивность теплообмена в данной точке пластины при прочих равных условиях определяется её удалением от передней кромки. Поэтому определяющим размером здесь является координата х; этот размер и входит в выражения критериев подобия:

Рис 10.5 Характер изменения α по длине пластины при неизменном режиме течения (а), при переходе ламинарного в турбулентный(б)