§ 6.2. Пограничный слой
Как указывалось в § 5.2, пограничные слои подразделяются на три типа:
- гидродинамический;
- тепловой;
-
Рис.6.2.
Тепловой пограничный слой - это такой слой вблизи поверхности, в котором происходит полное или почти полное изменение температуры от tc до температуры в потоке tж.
Его толщина
,
т.е. зависит от числаPr и
толщины гидродинамического
пограничного слоя. Возможны
несколько случаев, когда толщина
теплового слояk отличается
от толщины гидродинамического пограничного
слоя:
1 случай:Pr 1, k,
;
2 случай: Pr 1,4k,
.
В
Рис.6.3.
Таким образом, сначала можно рассчитать толщину гидродинамического пограничного слоя, используя формулы § 5.2. Затем, применяя изложенные выше зависимости, найти значения толщины теплового слоя, т.е. представить распределение температуры вблизи поверхности.
Введем точное определение теплового пограничного слоя. Тепловым пограничным слоем называют такую область потока жидкости, которая обладает следующими свойствами:
1) область непосредственно прилегает к поверхности нагрева;
2) в ней имеет место полное или почти полное изменение температуры от tcдоtж;
3) толщина этой области мала по сравнению с расстоянием от входной кромки поверхности нагрева (k<<x);
4) внутри этого слоя интенсивность переноса тепла посредством теплопроводности (молекулярным путем) и конвекцией (молярным путем) имеет одинаковый порядок.
Контрольные вопросы
1. Что общего и каковы различия между ламинарным и турбулентным гидродинамическими и тепловыми пограничными слоями?
2. Какова связь теплового, гидродинамического и диффузионного пограничных слоев, методы управления их толщиной? Каким образом можно управлять их толщиной, изменять толщину?
3. Как получить зависимость толщины гидродинамического пограничного слоя от числа Re, используя методы теории подобия и эксперимент?
§ 6.3. Общий вид расчетных зависимостей для стационарного теплообмена при вынужденной конвекции
Как было сказано ранее, общий вид расчетной полуэмпирической зависимости имеет вид
...
,
где f- функция, учитывающая неизотермичность потока вблизи стенки, так как все физические параметры, входящие вNu, Re, Pr, взяты из справочника и отнесены к температуре средыtж вдали от поверхности.
Эта функция имеет следующий вид:
,
где Рrж- число Прандтля при температуре жидкости, взятой вдали от поверхности; Рrст - число Прандтля среды при температуре среды, взятой вблизи поверхности (стенки).
Если полученную ранее зависимость переписать в виде
,
где
,
то получим: 
.
Таким образом
иллюстрируется закон Ньютона - Рихмана,
по которому при вынужденной конвекции
.
В отличие от этого при естественной
конвекции
,
т.е. коэффициент теплоотдачи зависит
от разности температур между стенкой
и средой
.
Контрольные вопросы
1. Объяснить физический смысл чиселBi иNu, их формальное сходство и различия.
2. Получить методом анализа размерностей безразмерную зависимость для конвективного теплообмена при вынужденной конвекции (в общем виде).
§ 6.4. Критерии подобия теплообмена при вынужденной конвекции
При вынужденной конвекции все безразмерные критерии можно разделить на три группы:
1) критерий
геометрического подобия:
- относительные размеры и углы атаки;
2) критерий кинематического подобия:Re - число Рейнольдса;
3) критерийтеплового подобия: Pe - число Пекле, равноеPe = RePr.
Используя эти критерии и теорему подобия, следует проводить моделирование процессов и оборудования.
Критерий Нуссельта
Если ранее перечисленные критерии являются определяющими, то критерий Нуссельта является определяемым. Для ламинарного пограничного слоя он определяется как
,
где 
; - толщина
гидродинамического пограничного слоя;k - толщина
теплового слоя;
.
Отсюда следует, что при ламинарном течении среды у плоской поверхности
.
В случае, когда Рr 1,
-
приближенная формула для
газов.
В случае, когда Рr << 1,
;
- приближенная формула для жидких
металлов и хорошо теплопроводных сред.
В случае, когда Рr >> 1,
- приближенная
формула для вязких жидкостей.
По этим расчетным формулам можно вычислять коэффициент теплоотдачи в ламинарном режиме течения.