Методы изучения процессов тепло- и массопереноса. Теплообмен излучением. Излучение и поглощение реальных тел, страница 28

          Но  собственно  теория  подобия  не  дает  количественной  зависимости  между  числами  подобия.  Она  только  позволяет  уста-новить  качественную  зависимость  типа  К1 =  ¦ ( К2 ,  К3 , …),  где    Кi – числа  подобия.  Из  них  К1 – определяемое  число,  содержащее  зависимые  переменные;  К2 , К3 , …- определяющие  числа,  содержащие  независимые  переменные,  входящие  в  условия  одноз-начности.

          Количественные  зависимости  между  числами  подобия  нахо-дят  по  экспериментальным  данным  или  по  данным  математичес-кого  моделирования, используя методы  математической  статистики.

          Необходимо  иметь  в  виду,  что  обобщенные  расчетные  решения  (уравнения  подобия)  применимы  лишь  в  тех  пределах  изменения  определяющих  чисел  подобия,  которые  имели  место  в  экспериментах.  В  справочной  литературе  такие  пределы  указыва-ют  для  каждого  уравнения.

ПОЛУЧЕНИЕ  УРАВНЕНИЙ  ПОДОБИЯ

          Качественная   функциональная  зависимость  между  числами  подобия  мжет  быть  получена  путем  преобразования  системы  ис-ходных  уравнений   любого  типа.  Достоинство  метода  подобия  в  том,  что  для  получения  такой  зависимости  можно  использовать  дифференциальные  уравнения,  которые  мы  часто  не  можем  про-интегрировать  без  упрощающих  допущений.  При  этом  зависи-мость  имеет  такой  же  вид,  как  и  при  преобразовании  проинтег-рированных  уравнений.

          Преобразование  уравнений  заключается  в  их  приведении  к  безразмерному  виду.  Это  преобразование  осуществляется  либо  с  помощью  метода  масштабных  преобразований,  либо  с  помощью  анализа  размерностей. Воспользуемся  вторым,  так  как   суть  его  довольно  проста  и  не  требует  дополнительных  пояснений.

          Для  упрощения  примем,  что  скорость  и  температура  в  потоке  среды  меняются  только  по  x  и  y,  а  плотность ,  теплоем-кость,  теплопроводность  и  динамическая  вязкость  ее  постоянны,  внутренние  источники  и  стоки  тепла  отсутствуют,  гидродинамический  и  температурный  режимы  стационарны,  то  есть  (¶w/¶t  и  ¶t/¶t  равны  нулю).  Тогда,  поделив  уравнения  дви-жения  на  плотность  g  и  учитывая,  что  m/g=n,  получим  из  (16) – (18)  и  (20)  систему  уравнений  в  виде

          Преобразование  первых  двух  уравнений  одинаково,  поэтому,  для  сокращения  записи,  преобразуем  только  одно  из  них,  опустив  индексы  х  и  у. 

          Проще  всего  в  безразмерный  вид  перевести  геометрические  величины  х  и  у.  Возьмем  в  качестве  масштаба  какой-либо  харак-терный  размер  l  рассматриваемой  системы  и  с  помощью  его  и  безразмерного  множителя  выразим  все  отальные,  например,                х = l ×Х,  у = l ×Y.   Для  скорости  в  качестве  масштаба  примем  ее значение  на  входе  в  систему  wн ,  а  для  температуры  -  темпратуру  стенки  t с .  Тогда  w  = w н W,  t = t сT .  Учитывая,  что     l ,  wн ,   t c  - константы  и  могут  быть  выведены  из-под  знаков  диф-ференциала,  получим

Уравнение  движения  умножим  на  l   и  разделим  на  wн2 .  В  правой  части  получим  комплексы  g l / wн2 ,  1/g wн2 ,  n/ l wн , из  которых  первый  и  последний – безразмернве,  а  средний – размерный.  Но   если  его  ввести  под  знак дифференциала  при  давлении  р,  то  под  этим  знаком  будет  безразмерный  комплекс  p/g wн2 .  Обозначения  и  названия  этих  комплексов  следующие:

     (g l /wн2) = Fr – число  Фруда ,   (p /g wн2) = Eu – число   Эйлера ,         

(wн l/n) = Re – число  Рейнольдса.

Теперь   уравнение  движения  запишется  как

Из  этого  уравнения  видно,  что  поле  скоростей  будет  описываться  уравнением  качественной  связи   W = ¦1 ( Fr, Eu, Re, X, Y).        (21)

Уравнение  сплошности  безразмерных  комплексов  не  дает,  хотя  само  и  получается   безразмерным:  wн / l ¹ 0,  поэтому

Уравнение  энергии  можно  сократить  на  t с.  И  если  обе  его  части   умножить  на  l2/a,  то  в  левой  части  получится  безразмер-ный  комплекс  (w н l /a) = Pe – число  Пекле.  И  тогда