- •Раздел второй конвективный теплообмен в однородной среде
- •Тема 4 Основные положения учения о конвективном теплообмене
- •4.1 Основные понятия и определения
- •4.2 Физические свойства жидкости
- •4.3 Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена
- •С противоположной стороны вытекает масса:
- •4.4 Гидродинамический и тепловой пограничные слои
- •Тема 5 Подобие и моделирование процессов конвективного теплообмена
- •5.1 Приведение математической формулировки краевой задачи к записи в безразмерных переменных
- •5.2 Безразмерные переменные и уравнения подобия
- •5.3 Условия подобия физических процессов
- •5.4 Следствия из условий подобия
- •5.5 Моделирование процессов конвективного теплообмена
- •5.6 Получение эмпирических формул
- •Тема 6 Теплоотдача при вынужденном продольном омывании плоской поверхности
- •Тема 7 Теплоотдача при вынужденном движении жидкости в трубах
- •7.1 Особенности движения и теплообмена в трубах
- •Приближенная оценка среднего коэффициента теплоотдачи при вязкостно-гравитационном режиме может быть произведена
- •Теплоотдача при турбулентном режиме. При рассмотрении турбулентного режима в пограничном слое было получено ещё одно безразмерное число, называемое числом Стантона
- •7.3 Теплоотдача при течении жидкости в изогнутых и шероховатых трубах
- •Тема 8 Теплоотдача при вынужденном поперечном омывании труб и пучков труб
- •8.1 Теплоотдача при поперечном омывании
- •Одиночной круглой трубы
- •8.2 Теплоотдача при поперечном омывании пучков труб
- •Тема 9 Теплоотдача при свободном движении жидкости
- •9.1 Теплоотдача при свободном ламинарном движении вдоль вертикальной пластины
- •9.4 Теплоотдача при свободном движении около горизонтальной трубы
- •9.5 Теплоотдача при очень малых значениях комплекса (Gr.Pr)
- •9.6 Теплообмен при свободном движении жидкости в ограниченном пространстве
- •Тема 10 Отдельные задачи конвективного теплообмена в однородной среде
- •10.1 Теплоотдача разряженных газов
- •10.2 Теплоотдача при сверхкритическом состоянии вещества
- •10.3 Теплоотдача при движении газа с большой скоростью
Тема 5 Подобие и моделирование процессов конвективного теплообмена
Как следует из предыдущего материала,
коэффициент теплоотдачи зависит от
большого числа факторов. Численное
значение
может быть определено из системы
дифференциальных уравнений и условий
однозначности. Теоретическое решение
по определению
возможно только для простейших задач,
с учетом различных допущений. При этом
численные значения
,
полученные в результате решений плохо
согласуются с экспериментальными.
Поэтому в инженерной практике применяют
значения
,
найденные из эксперимента.
При проведении эксперимента каждому значению параметра и физических свойств соответствует определенное значение . Чтобы избежать бесчисленного количества экспериментов, пользуются теорией подобия. С помощью теории подобия размерные физические величины можно объединить в безразмерные комплексы, причем так, что число комплексов будет меньше числа величин, из которых они составлены. Новые безразмерные переменные отражают влияние не отдельного фактора, а их совокупности, что позволяет легче определить физические связи в исследуемом процессе. Таким образом, теория подобия является теоретической базой эксперимента.
Теория подобия положена в основу метода моделирования, который позволяет проводить исследования не на самих установках и аппаратах, а на подобных им моделях, что значительно упрощает эксперимент. Такой метод экспериментального исследования называется моделированием.
5.1 Приведение математической формулировки краевой задачи к записи в безразмерных переменных
Чтобы получить зависимость коэффициента теплоотдачи от безразмерных комплексов нужно систему дифференциальных уравнений и условий однозначности привести к безразмерному виду. Для этого воспользуемся методом масштабных преобразований.
Пусть поверхность твердого тела омывается несжимаемой жидкостью, температура и скорость которой вдали от тела t0, 0. Размер тела l0 задан, температура поверхности тела равна tс.
Д
ля
определенности примем, что tc>t0.
Будем полагать, что физические параметры
жидкости постоянны. Учитывать будем
только подъёмную силу, возникающую в
результате зависимости плотности от
температуры. Теплота трения не учитывается,
тогда рассматриваемый процесс является
стационарным.
Проекции вектора сил тяжести на ось х равна gх=g , а на оси y и z равны нулю.
Размер тела в направлении оси z
намного больше
(бесконечность тела). Введем обозначение
,
(t – температура
жидкости; так как to=const,
то
).
Поле температур движущейся жидкости
можно описать следующими дифференциальными
уравнениями:
уравнение энергии -
,
уравнение движения -
,
уравнение сплошности -
.
Граничные условия:
вдали от тела:
:
на поверхности тела:
:
В уравнениях и условиях однозначности можно различить три вида величин:
независимые переменные – координаты х и у,
зависимые переменные – это
,
которые однозначно определяются
значениями независимых переменных,
постоянные величины -
;
они задаются условиями однозначности.
Для приведения к безразмерному виду
выберем масштабы приведения. В качестве
масштаба удобно принять постоянные
величины, входящие в условия однозначности.
Для линейных величин выберем характерный
размер
,
для скорости
,
для температуры
.
Тогда:
Исходя из этого:
После подстановки полученных равенств
и после умножения левой и правой частей
уравнения энергии на
будем иметь:
Аналогично преобразуем уравнение
движения, умножив левую и правую части
на
:
Сделаем следующее преобразование
комплекса, входящего в последнее
уравнение. Умножим и разделим его на
.
Тогда получим равенство:
После преобразования уравнения сплошности получим:
Так как
не равно нулю:
.
Приводя к безразмерному виду граничные условия, получим:
вдали от тела:
на поверхности тела:
.
Если известно температурное поле, то коэффициент теплоотдачи
.
При приведении к записи в безразмерном
виде (умножив на l0
и разделив на
),
получим:
Безразмерный комплекс
полностью определяется производной
