2.5.2 Вынужденная конвекция, тепловой пограничный слой.

Рассмотрим случай, когда поток жидкости набегает на твердую пластину. Скорость потока постоянная, температура тоже. Частицы жидкости, непосредственно соприкасающиеся с твердой поверхностью, как бы прилипают к ней – этот процесс называется адсорбция. Соприкасаясь с этим неподвижным слоем, тормозятся и другие, расположенные рядом слои жидкости. Существует часть потока, в которой за счет сил вязкого трения скорость слоя меньше чем скорость невозмущенного потока жидкости.

- функция, характеризующая интенсивность процесса теплоотдачи.

Рисунок 2.7 – Течение жидкости вдоль поверхности твердого тела

Аналогично гидродинамическому пограничному слою осуществляется тепловое взаимодействие и формируется тепловой пограничный слой.

В тепловом пограничном слое основное термическое сопротивление сосредоточено в ламинарных слоях и ~ . Для увеличения термического сопротивления стремятся уменьшить толщину пограничного слоя и проще всего это осуществить за счет увеличения скорости потока или искусственно увеличить турбулентность потока.

2.5.3 Понятие о теории подобия. Критерии подобия

Вся сложность в изучении конвективного теплообмена состоит в определении коэффициента теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи зависит от ряда параметров: характера жидкости (ламинарный или турбулентный), скорости движения жидкости, линейных размеров тела, от температуры стенки и жидкости, от свойств жидкости (вязкости, плотности, и т. д.), от коэффициента формы тела, от положения поверхности теплообмена. Если попытаться экспериментально определить влияние на коэффициент теплоотдачи ряда параметров m, каждый из которых изменяется на n уровнях, то число опытов N составит:

,

т.е. миллион опытов при 10 параметрах и n=6. На практике осуществить это не реально.

Для определения коэффициента теплоотдачи в определенных условиях данные экспериментов обрабатываются с использованием чисел подобия, что облегчает расчеты.

Числа подобия – безразмерные комплексы, состоящие из параметров, характеризующих данный процесс.

Научная теория подобия заимствована из геометрического подобия. Два физических процесса считаются подобными если режимы движения среды одинаковы, и температура в соответствующих точках в двух телах относятся в определенном отношении (тепловое подобие). Основа такого подхода – это то, что процессы в различных условиях описываются одинаковыми аналитическими выражениями.

Числа подобия:

1. Число подобия Нуссельта:

.

Число подобия Нуссельта является безразмерным коэффициентом теплоотдачи. Число подобия Нуссельта определяет интенсивность теплообмена на границе жидкости и твердого тела.

2. Число подобия Рейнольдса:

,

где - коэффициент кинематической вязкости.

Число Рейнольдса устанавливает отношение сил инерции к силам вязкости.

3. Число Прандтля:

,

где - коэффициент температуропроводности, который характеризует скорость перестройки температурного поля.

4. Критерий Грасгофа:

.

Критерий Грасгофа определяет отношение подъёмных сил, возникающих вследствие теплового расширения к силам вязкости.

Также вводят понятие «безразмерная температура»:

,

t – искомая, переменная температура нагреваемого тела, изменяется в пределах от начальной температуры t₀ до температуры греющей среды t_ж

t=(t₀…t_ж),

Безразмерная температура изменяется в пределах

.