Тепловой пограничный слой

А

Рис. 21 Изменение температуры в тепловом пограничном слое

налогично понятию гидродинамического пограничного слоя Г.Н. Кружилин ввел понятие теплового пограничного слоя. Это слой жидкости у стенки, в пределах которой температура изменяется от значения, равного температуре стенки Т₀, до значения, равного температуре жидкости вдали от тела. Для области внутри теплового пограничного слоя справедливо условие Т/у  0, а на внешней границе и вне его Т/у = 0 и Т = Т₀

Таким образом, все изменения температуры жидкости сосредотачивается в сравнительно тонком слое, непосредственно прилегающем к поверхности тела.

Своеобразно строиться пограничный слой в случае свободного теплового течения, вызванного разностью плотностей более и менее нагретых частиц жидкости. Данное ранее определение пограничных слоев остается справедливым и для свободного движения. Однако во многих случаях скорость вдали от тела, у которого возникло свободное движение, равное нулю.

Рис. 22

На рис. 22 приведено примерное распределение температур и скоростей в определенном сечении свободного потока у горячего тела.

В данном случае толщины теплового и гидродинамических слоев могут не совпадать.

Форма и размеры поверхности теплообмена существенно влияют на теплоотдачу. В зависимости от этих факторов может резко измениться характер обтекания поверхности, по-иному строиться пограничный слой.

Известно, что имеется два основных режима течения жидкости: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме частицы жидкости движутся без перемешивания, слоисто.

Турбулентный перенос теплоты и количества движения

Турбулентное течение существенно отличается от ламинарного. На рис. покажем осциллограммы колебаний скорости в определенной неподвижной точке турбулентного потока, имеющего неизменную среднюю скорость.

Скорость пульсирует около некоторого среднего во времени значения. Причем изменяется не только абсолютная величина  (которая показана на рисунке), но и направление мгновенной скорости. Отключение мгновенной скорости  от средней во времени называется пульсациями скорости или пульсационными скоростями . При этом:

Таким образом, турбулентное движение состоит как бы из регулярного течения, которое описывается осредненными скоростями, и из наложенного на него хаотического пульсационного течения.

При пульсациях скорости происходит перенос механической энергии. Если в потоке имеет место разность температур, то пульсация скорости приводят и к переносу теплоты, вследствие чего возникают пульсации температуры. Температура в определенной точке турбулентного потока колеблется около некоторого среднего во времени значения . Пульсация температуры связана Т связана с Т и уравнением:

Таким образом, турбулентное течение, строго говоря, является нестационарным процессом. Однако если и не изменяются, то движение при турбулентном – неупорядоченно, хаотично, направление и величина скорости отдельных частиц беспрестанно меняется. Эти режимы течения наблюдаются и в пограничном слое. В дальнейшем мы убедимся, что теплоотдача существенно зависит от режима течения.