4.3.4. Критериальные уравнения

При установлении функциональной связи между коэффициентом теплоотдачи и параметрами конвективного теплообмена можно перейти от размерных функций к безразмерным и тогда, используя эксперимент, определять функции типа

Nu=(Re, Pr, Gr, Fo). (4.67)

Формула (4.67) называется критериальным уравнением. Количество переменных (которыми здесь являются критерии подобия), входящих в такую зависимость, всегда значительно меньше, чем в случае установления зависимости в размерном виде. Имея конкретный вид функции (4.67), легко определить величину коэффициента теплоотдачи. Вычисление критериев подобия Re, Pr, Gr и др. не представляет значительных трудностей.

Практическое использование критериальных уравнений и в тепловых расчетах ДВС заключается в определении с их помощью коэффициента теплоотдачи:

(4.68)

4.3.5. Некоторые случаи теплообмена

Применительно к определенным задачам уравнение (4.67) может быть упрощено. При стационарных процессах теплообмена выпадает критерий Fо и тогда

Nu=(Re, Gr, Pr). (4.69)

В случае вынужденного движения жидкости и при развитом турбулентном режиме свободная конвекция в сравнении с вынужденной очень мала, поэтому уравнение подобия теплоотдачи упрощается:

Nu=(Re, Pr). (4.70)

Для некоторых газов величина числа Прандтля — Pr — в процессе конвективного теплообмена почти не изменяется с температурой, поэтому уравнение подобия принимает более простой вид:

Nu=(Re). (4.71)

При свободном движении жидкости, когда вынужденная конвекция отсутствует, вместо числа Рейнольдса в уравнение подобия теплоотдачи необходимо ввести число Грасгофа и получаем:

Nu=(Gr, Pr). (4.72)

Итак, теория подобия позволяет, не интегрируя дифференциальных уравнений, получить из них критерии подобия и установить критериальные зависимости, которые справедливы для всех подобных между собой процессов. Однако следует помнить, что такие обобщенные зависимости ограничены условиями подобия, из них нельзя делать заключения, выходящие за пределы этих ограничений. Общего решения теория подобия не дает: она позволяет лишь обобщить опытные данные в области, ограниченной условиями подобия. При использовании метода подобия об этих ограничениях всегда нужно помнить.

4.3.6. Расчетные зависимости конвективного теплообмена

В качестве конкретной формы расчетных уравнений обычно принимается степенная зависимость в виде

y = Ax^muⁿ^p. (4.73)

Она наиболее проста и гибка. Подробно математическая обработка результатов экспериментов рассматривается в специальной литературе. Мы ограничиваемся рассмотрением некоторых вопросов конвективного теплообмена, встречающихся при тепловых расчетах агрегатов ДВС.

Установившийся конвективный теплообмен в общем случае описывается следующим уравнением подобия (капельные жидкости):

(4.74)

Введение множителя в уравнения подобия для капельных жидкостей дает возможность использовать эти уравнения при любом направлении теплового потока (от стенки к среде и наоборот) и учесть изменение теплофизических свойств среды. Индексы «ж» и «с» означают, что теплофизические параметры жидкости следует выбирать при средней ее температуре и, соответственно, при средней температуре стенки.