- •2. Конвективный теплообмен
- •2.1. Схема в.Нуссельта
- •2.2. Основные положения теории подобия и физического моделирования
- •2.2.2. Достаточные условия для подобия вынужденных течений
- •2.2.3. Достаточные условия для подобия свободных термических
- •2.2.4. Достаточные условия для подобия распределений скорости
- •2.2.5. Достаточные условия для подобия температурных полей
- •2.2.6. Необходимые и достаточные условия подобия физических
2.2.3. Достаточные условия для подобия свободных термических
течений
Для суждения о подобии двух термических свободных течений вместо (2.6) приходится рассматривать уравнение
(2.11)
в котором
- сила плавучести (подъемная или опускная),
действующая на жидкость (газ).
Согласно закону Архимеда эта сила для жидкости (газа) в пространстве единичного объема определяется следующим образом
(2.12)
где
- ускорение внешнего поля (в частности,
земное ускорение), d
- отличие плотности вещества
в выделенном элементе пространства от
значений
в его окрестности из-за наличия
соответствующей разности температур
dT.
Учитывая связь между плотностью
и удельным объемом
,
преобразуем (2.12) следующим образом
(2.12)
Здесь
- термический коэффициент объемного
расширения вещества при p
= const, так как процесс
свободной конвекции, как правило,
протекает в изобарных условиях (сила
в уравнении (2.11) отсутствует). Этот
коэффициент для жидкостей определен
экспериментально и сведения о его
значениях сообщаются в справочном
материале. Для идеального газа, когда
справедливо уравнение состояния
Менделеева−Клапейрона в форме
= RT,
имеем
При свободном движении сила инерции
мала и характер течения определяется
мерой отношения силы плавучести и силы
вязкостного трения, равной
(2.13)
где T
- характерная для процесса разность
температур. В качестве таковой принимается
разность температуры поверхности TW
и температуры жидкости (газа)
на удалении от нее (теоретически на
бесконечном удалении).
Нетрудно видеть, что при свободной конвекции не имеется соображений для назначения в (2.13) характерной скорости w0 - поле скоростей в этом процессе формируется таким образом, что величина скорости ни в одной точке пространства заведомо неизвестна.
Итак, для подобия распределений скоростей
в двух термически свободных течениях
достаточно равенства мер отношений
и
,
составленных для «натуры» и «модели»:
(2.14)
Естественным образом возникает вопрос об исключении в (2.13), (2.14) неизвестной характерной скорости w0. Для этого надо рассмотреть достаточные условия для подобия температурных распределений.
2.2.4. Достаточные условия для подобия распределений скорости
в вынужденных течениях с наложением
свободной термической конвекции
При вынужденном ламинарном режиме течения жидкости (газа) в трубах при больших разностях температур потока и омываемой им поверхности процессы теплообмена протекают таким образом, что формирующееся поле температуры и связанное с ним неоднородное поле плотности приводят к возникновению столь сильной свободной термической конвекции, влиянием которой на основное течение пренебречь недопустимо. В этом случае имеем гравитационно-вязкостное течение, уравнение движения которого таково:
или
Достаточным условием для подобия таких течений в “натуре” и “модели”, как было показано выше, является равенство вычисленных для них мер отношения важнейших сил:
и
.
