9. Теплоотдача при обтекании плоской поверхности. Пограничный слой.

Течение жидкости вдоль пластины, после накатывания потока на край пластины, сопровождается образованием гидродинамического пограничного слоя. В нем скорость движения жидкости изменяется от нуля на поверхности пластины, к которой прилипают частички жидкости, до значения скорости невозмущённого потока V0 — на внешний границе этого пограничного слоя

Образование пограничного слоя и падение скорости в нем происходят из-за вязкости жидкости. У передней кромки в начале пластины толщина пограничного слоя минимальна, затем она растет, ее величина зависит от расстояния от передней кромки и степени турбулизации набегающего потока. При небольшой турбулизации потока движение жидкости вдоль пластины сопровождается увеличением толщины пограничного слоя, тормозящее воздействие стенки распространяется на всё более далекие слои жидкости. Режим движения в пограничном слое ламинарный, толщину слоя на расстоянии x от начала пластины можно рассчитать по формуле

О днако при значительной турбулизации набегающего потока, когда Re > 10⁵, в пограничном слое, на некотором критическом расстоянии x_кр начинают возникать вихри, и течение жидкости в слое приобретает турбулентный характер. В пограничном слое начинается перемешивание жидкости, которое всё-таки затухает поблизости от поверхности пластины — здесь сохраняется очень тонкий вязкий подслой, изображенный в правой половине. Толщина турбулентного пограничного слоя также возрастает пропорционально удалению от начального края пластины

П ри разности температур пластины и набегающего потока между поверхностью пластины и жидкостью возникает теплообмен. Величину удельного теплового потока можно вычислить по формуле Ньютона. Тепловой поток пропорционален температурному напору (tс - tж), и коэффициенту теплоотдачи, который зависит от гидродинамической картины и режима течения теплоносителя, расстояния x от передней кромки и от теплофизических свойств теплоносителя. Около поверхности пластины в потоке жидкости, кроме гидродинамического, формируется также тепловой пограничный слой, в пределах которого температура теплоносителя изменяется от tс до tж. Температуру tс имеют частицы жидкости, прилипшие к стенке, температура tж характерна для жидкости, находящейся вдали от поверхности стенки. Характер распределения температур в тепловом пограничном слое зависит от режима движения жидкости в динамическом пограничном слое. Формирование теплового пограничного слоя сходно с характером развития гидродинамического слоя. При ламинарном пограничном слое перенос тепла в слое осуществляется только за счет теплопроводности. При турбулентном динамическом слое основное изменение температуры происходит в пределах тонкого вязкого подслоя около поверхности теплообмена. В турбулентном ядре пограничного слоя из-за интенсивного перемешивания жидкости изменение температуры незначительно. Коэффициент теплоотдачи при ламинарном режиме течения теплоносителя можно определить из критериального уравнения Nu=0.66 Re^0.5Pr_ж^0.33(Pr_ж/Pr_c)^0.25. Для определения среднего коэффициента теплоотдачи в условиях турбулентного режима жидкости вдоль пластины рекомендуется зависимость Nu=0.037 Re^0.8Pr_ж^0.43(Pr_ж/Pr_c)^0.25. Pr_ж — критерий Прандтля теплоносителя при его средней температуре; Pr_с— критерий Прандтля теплоносителя при температуре стенки.

Nu=al/λ.,где l — длина пластины, обтекаемой потоком жидкости, м; a — средний коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·град); Re=Vl/ʋ, V — средняя скорость движения потока жидкости, м/с; l — средняя теплопроводность жидкости при ее средней температуре, Вт/мК; ʋ — вязкость жидкости, м²/с.