3.9. Теплоотдача при вынужденном продольном обтекании плоской поверхности.

При продольном обтекании плоской поверхности безграничным потоком с равномерным распределением скоростей, то начиная от передней кромки на поверхности образуется и растет гидродинамический и тепловой пограничный слой, в котором происходит основное изменение скорости потока от 0 до w₀ и температуры от t_ст до t_ж.

Пограничный слой будет ламинарным если Re<Re_kp. Критическая величина Re_kp для плоской поверхности равна: Re_kp=510⁵ для изотермных потоков и Re_kp=810⁴ для не изотермных потоков. При Re>310⁶ устанавливается устойчивый турбулентный режим движения в пограничном слое, при котором основное падение скорости и температуры происходит в вязком подслое.

Средний коэффициент теплоотдачи при ламинарном пограничном слое определяется из уравнения (при Re<510⁵ и 0,6<Pr<15)

.

Для воздуха и двухатомных газов

.

В этих уравнениях определяющая скорость и температура берутся по

набегающему потоку, а определяющий размер - длина пластины l по направлению потока.

При турбулентном пограничном слое (Re>310⁶) используют уравнения

,

а для воздуха и газов

.

Условия применения уравнений те же.

3.10. Теплоотдача при свободной конвекции.

С вободное движение жидкости под действием гравитационного поля в системе с неравномерным распределением плотности жидкости (разность температур, концентраций, фазовых состояний и т.д.) называют гравитационной свободной конвекцией.

Рассмотрим свободную конвекцию жидкости вдоль вертикальной поверхности в большом объеме жидкости находящейся в состоянии покоя (Рис. 11). В нижней части вдоль плоскости движется ламинарный слой толщина которо-го и скорость растут. На определенной вы-соте происходит разру-шение ламинар-ного слоя и переход его в турбулентный слой с ламинарным подслоем.

Локальный коэффициент теплоотдачи _х вначале уменьшается, после разрушения ламинарного слоя увеличивается, а затем стабилизируется (Рис. 11а). Скорость жидкости w_х по толщине распределяется примерно по параболе, температура t_х изменяется плавно от t_ст до t_ж.

Средний коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции в неограниченном объеме жидкости определяется из обобщенного уравнения

,

где эмпирические коэффициенты С и n принимаются в зависимости от режима движения определяемого комплексом GrPr:

- для ламинарного режима при

GrPr=110^-3510², С=1,18, n=0,125;

- для переходного режима при

GrPr=510²210⁷, С=0,54, n=0,25;

- для турбулентного режима при

GrPr=210⁷110¹³, С=0,135, n=0,333.

Данные уравнения пригодны для любых жидкостей и тел любой формы и размеров. За определяющую температуру принята средняя температура t_ср=0,5(t_ж+t_ст).

За определяющий размер приняты:

• для вертикальной плоскости и вертикальных труб - их высота, м;

• для горизонтальных поверхностей - их меньшая сторона, м;

Для горизонтальных поверхностей, коэффициент теплоотдачи рассчитанный по приведенным уравнениям увеличивается на 30% (1,3), если нагретая поверхность направлена вверх, и уменьшается на 30% (0,7), если нагретая сторона плоскости направлена вниз.

Теплоотдача при свободном движении жидкости в ограниченном пространстве зависит от формы и размеров поверхностей, ограничивающих объем жидкости.