Вопросы для самоконтроля

1. Напишите уравнения теплопроводности для однослойной и многослойной стенок.

2. Что такое термическое сопротивление многослойной стенки? В каких единицах оно измеряется?

3. Чем отличаются уравнения теплового потока через твердые предметы различной формы (шар, цилиндр, труба, прямоугольник)?

4. Что такое регулярный режим нагревания (охлаждения) тел?

5. Что такое темп нагревания (охлаждения) тел?

12 Подобие и моделирование процессов конвективного теплообмена

12.1 Конвективный теплообмен

Конвективным теплообменом называется одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью. В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.

Самопроизвольное движение жидкости (газа) в поле тяжести, обусловленное разностью плотностей её горячих и холодных слоев, называют свободным движением (естественная конвекция).

Движение, создаваемое вследствие разности давлений, которые создаются насосом, вентилятором и другими устройствами, называется вынужденным (вынужденная конвекция).

Большое влияние на конвективный теплообмен оказывают следующие физические параметры: коэффициент теплопроводности , Вт/м·К; удельная теплоемкость с, Дж/кг·К; плотность ρ, кг/м³; κоэффициент температуропроводности а, м²/с; коэффициент динамической вязкости μ, Па·с или кинематической вязкости ν, м²/с; температурный коэффициент объемного расширения β, К^-1.

Также влияние на конвективный теплообмен оказывают форма теплопередающей поверхности (плоская, цилиндрическая), размеры и положение поверхности (горизонтальное, вертикальное).

Движение жидкости может быть естественным (свободным) и вынужденным (принудительным)

Упорядоченное, слоистое, спокойное, без пульсаций движение называется ламинарным.

Беспорядочное, хаотическое, вихревое движение называется турбулентным.

12.2. Гидродинамический и тепловой пограничные слои

В теории пограничного слоя предполагается, что в потоке можно выделить две области: внешний поток и тонкий пограничный динамический слой. Внутри этого пограничного слоя сильно проявляется вязкость, сказывающаяся в резком изменении скорости потока.

Рисунок 12.1 - Изменение скорости жидкости в гидродинамическом

пограничном слое

Рисунок 12.2 - Изменение температур в тепловом пограничном слое

и - скорость и температура набегающего потока (постоянные величины);

Чем больше , тем больше толщина пограничного слоя.

При малых течение в пограничном слое (п.с.) ламинарное, но с увеличением толщина п.с. увеличивается, движение в нем становится неустойчивым и переходит в турбулентное. Однако в пределах турбулентного п.с. можно видеть ламинарный подслой, в пределах которого скорость особо круто возрастает. По аналогии с динамическим п.с. было введено понятие теплового п.с., в пределах которого изменяется температура от до .

Толщина теплового слоя отличается от толщины динамического слоя и их соотношение определяется величиной . Но для газов и горячей воды эти толщины практически совпадают, т.к. 1. У поверхности тепло проходит только вследствие теплопроводности, т.е. в данном случае можно применять закон Фурье:

(12.1)

- коэффициент теплопроводности теплоносителя;

- нормаль поверхности нагрева.