Кислицын Шабаров УМК Тепломассообмен / КраткийКонспектЛекций / Тема7-3

7.3.Теплообмен при вынужденной конвекции.

Вынужденная конвекция используется в различных теплообменных уст­рой­ствах. Ин­тен­сив­ность теплообмена при вынужденной конвекции может ме­нять­ся в широком диапазоне бла­го­даря возможности управлять скоростью дви­же­ния среды.

Различают теплообмен при безотрывном течении, когда поток нигде не от­деляется от об­те­каемой поверхности, и при отрывном течении, когда по­верх­ность обтекаемого тела имеет участ­ки с большой кривизной, резкие из­ме­не­ния сечения, повороты и др. Примерами без­от­рыв­но­го течения являются: дви­жение по каналу постоянного сечения, обтекание тонких плас­тин, про­доль­ное обтекание труб. Теплообмен при безотрывном течении в настоящее время изу­­чен до­статочно хорошо, имеется много расчетных формул для различных тех­нических кон­ст­рук­ций. Течение с отрывом потока от поверхности изучено зна­чительно хуже, здесь на­деж­ные фор­му­лы имеются только для обтекания простых поверхностей (цилиндра, шара).

В самом грубом приближении (с точностью  25%) интенсивность теп­ло­об­мена при об­те­ка­нии тел любой формы потоком воздуха можно оценить по про­стейшей эмпирической фор­му­ле:

. (7.3.1)

Для получения более точных результатов надо учитывать форму об­те­ка­е­мой поверхности.

При обтекании плоской поверхности (пластины) потоком жидкости или га­за, дви­жу­щим­ся вдоль поверхности, обработка результатов мно­го­чис­лен­ных экс­периментов дает сле­ду­ю­щие формулы:

при Re < 510⁵ (ламинарное обтекание), (7.3.2)

при Re > 510⁵ (турбулентное обтекание). (7.3.3)

В этих и последующих формулах число Pr берется при средней температуре жид­кости, а Pr₀ - при температуре обтекаемой по­верх­ности. Для воздуха число Прандтля Pr  0.7 и почти не за­ви­сит от тем­пе­ра­ту­ры, поэтому при обтекании пла­стины потоком воздуха формулы (7.3.2) и (7.3.3) уп­ро­ща­ют­ся и принимают вид:

при ламинарном обтекании (Re < 510⁵), (7.3.2')

при турбулентном обтекании (Re > 510⁵). (7.3.3')

При продольном обтекании прямых гладких труб потоком жидкости, газа или пара при числах Рейнольдса Re > 10⁴ ре­ко­мен­дуется следующая формула:

. (7.3.4)

Для воздуха эта формула принимает вид:

Nu = 0.018Re^0.8. (7.3.5)

Если Re < 10⁴, то анализ осложняется наложением естественной кон­век­ции, и мы этот во­прос не рассматриваем (при больших числах Рейнольдса ес­тест­венная конвекция становится не­возможной из-за того, что в турбулентном по­токе вследствие интенсивного перемешивания тем­пература жидкости по се­че­нию потока практически постоянна).

При поперечном обтекании труб или цилиндров жидкость отрывается от поверхности и ее дви­жение приобретает очень сложный характер: образуются за­стойные области, возникают об­рат­ные течения, крупные вихри и др. Ог­ра­ни­чим­ся результатами экспериментов по об­те­ка­нию оди­­ночной трубы. Для усред­нен­ного по окружности трубы числа Нуссельта для любых жид­кос­тей или газов рас­четные формулы име­ют вид:

при 1 < Re < 10⁴, (7.3.6)

при Re > 10⁴. (7.3.7)

Для воздуха эти формулы принимают вид:

при 1 < Re < 10⁴, (7.3.6')

при Re > 10⁴. (7.3.7')

Точность формул (7.3.2) - (7.3.7) около 10%.