1.3 Основные положения теории конвективного теплообмена

Понятия и определения. Виды и режимы движения жидкости. Уравнение Ньютона-Рихмана, коэффициент теплоотдачи. Физические свойства жидкостей (газов). Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена. Условия однозначности для процессов конвективного теплообмена. Краткие сведения об аналитических, приближенных и экспериментальных методах решения задач конвективного теплообмена. Основы теории подобия: значение теории подобия, определения и теоремы. Критерии и критические уравнения подобия. Условия подобия процессов конвективного теплообмена. Физическое и математическое моделирование процессов конвективного теплообмена. Обобщение опытных данных на основе теории подобия.

Методические_указания.

В процессе изучения необходимо помнить, что при передаче теплоты теплопроводностью, конвекцией и излучением, которые могут осуществляться одновременно, конвективный теплообмен имеет решающее значение. При этом он является наиболее сложным физическим процессом и, соответственно, наиболее трудным процессом в освоении.

Основной задачей теории конвективного теплообмена является получение зависимостей для определения коэффициента теплоотдачи, который, в отличие от коэффициента теплопроводности не является физическим параметром тела, а характеризует тепловое взаимодействие движущегося теплоносителя и твердой поверхности. Это взаимодействие зависит от большего количества факторов, таких как скорость движения жидкости, температур поверхности нагрева и жидкости, физических свойств жидкости, формы и размеров поверхности и других характеристик. Расчет коэффициентов теплоотдачи осложняется тем, что вышеперечисленные параметры взаимосвязаны. Напрмер, вязкость, плотность, коэффициент теплопроводности жидкостей зависит от температуры, скорость движения жидкости, в свою очередь, зависит от вязкости и т.п. Вынужденная конвекция часто сопровождается свободной конвекцией. Поэтому коэффициент теплоотдачи как комплексная характеристика конвективного теплообмена должна учитывать все особенности его протекания. В связи с этим необходимо разобраться прежде всего с физической природой процесса конвективного теплообмена, обратить внимание на условия движения жидкости (вынужденное или свободное, ламинарный или турбулентный режим течения), на условия возникновения и развития гидродинамического и теплового пограничных слоев. Обратить внимание на соотношение толщины этих слоев в зависимости от физических свойств жидкостей, т.е. от чисел Прандтля.

Следует уяснить, что математическое описание конвективного теплообмена, состояние из системы дифференциальных уравнений и условий однозначности, является довольно сложным. Аналитическое решение системы дифференциальных уравнений в связи с этим в большинстве случаев не представляется возможным. Задача может быть решена только для ограниченного числа простейших случаев и то с большим количеством допущений. Получение числовых значений коэффициентов теплоотдачи экспериментальным путем на контурных объектах экономически нецелесообразно. Выходом из положения является приближение теории подобия. Она дает возможность проводить экспериментальные исследования на модели объекта, что значительно дешевле, и результаты опытов на модели, распространять на все подобные явления, происходящие в натурных устройствах. В процессе изучения раздела рекомендуется ознакомиться с тремя теоремами подобия, и их следствиями, с признаками подобия, с физическим смыслом основных чисел подобия, используемых при решении задач конвективного теплообмена. Следует четко уяснить различие между определяющими и определяемыми числами подобия. Одним из важных моментов являются условия подобия различных процессов конвективного теплообмена. Необходимо ознакомиться с теорией физического и математического моделирования процессов конвективного теплообмена. Следует обратить внимание на то, что обработка экспериментальных данных в критериальной форме позволяет выявить основаные факторы, оказывающие существенное влияние на величину коэффициента теплоотдачи.

Литература: [1], [2].

Вопросы_для_самопроверки:

1. Возможна ли конвекция в неподвижных жидкостях?

2. Каковы различия между свободной и вынужденной конвекцией?

3. В чем состоит физический смысл коэффициента теплоотдачи?

4. Одинаковы ли размерности коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи?

5. Может ли свободная конвекция оказать влияние на теплоотдачу в условиях вынужденной конвекции?

6. От каких факторов существенно зависит коэффициент теплоотдачи?

7. В чем состоит физический смысл коэффициентов вязкости? Одинаковы ли размерности динамического и кинематического коэффициентов вязкости?

8. В каком случае толщины гидродинамического и теплового пограничных слоев совпадает?

9. Является ли система дифференциальных уравнений(энергии, движения, сплошности, теплоотдачи) системой, в полной мере характеризующей закономерность процесса конвективного теплообмена?

10. Действительны ли система дифференциальных уравнений конвективного теплообмена для полной математической формулировки краевой задачи?

11. Одинаков ли перечень условий однозначности для процессов теплопроводности твердого тела и конвективного теплообмена?

12. В чем заключается физический смысл граничных условий III рода?

13. Какие основные положения понятия подобия физических явлений являются неотъемлемой частью теории подобия?

14. Могут ли постоянные подобия выбираться произвольно?

15. На базе каких уравнений выводятся числа подобия Рейнольдса, Нуссельта, Грасгофа, Прандтля?

16. Какие числа подобия являются определяющими и определяемыми?

17. Какой физический смысл чисел Рейнольдса, Нуссельта, Грасгофа, Прандтля?

18. Совпадают ли по форме и содержанию числа Био и Нуссельта?

19. Содержит ли одноименная физическая величина в числах Рейнольдса, Нуссельта, Пекле и Грасгофа?

20. Что представляют собой критериальные уравнения? Как они получаются?

21. Каковы условия подобия процессов конвективного теплообмена при вынужденном, свободном и свободно-вынужденном движенииях теплоносителей?

22. С какой целью и как осуществляется моделирование процессов конвективного теплообмена?

23. Что представляет собой определяющий размер? Может ли в качестве определяющего выбран любой линейный размер, введенный в условия однозначности?

24. Что представляет собой определяющая температура? Может ли быть взята в ее качестве любая температура, введенная в условие однозначности?

25. Как осуществляется окружение по поверхности коэффициентов теплоотдачи?

26. Как осуществляется окружение по поверхности температурного напора?

27. Как осуществляется получение эмпирических формул для определения коэффициентов теплоотдачи?