Тепломассообмен (физико-математические основы): Учебное пособие, страница 15

 - коэффициент  теплоотдачи,  Вт/(м² К).

Использование этого  закона  позволяет  упростить  расчеты,  сведя  их  к  определению  a,  вместо  того,  чтобы  находить  уравнение  распределения  температуры  у  поверхности  тела  и  по  нему  находить  grad t = (dt/dn) .

Коэффициент  теплоотдачи  не  является  физической  характеристикой  среды,  так  как  он  зависит  не  только  от  её  свойств,  но  и  от  свойств  поверхности,  от  её  формы,  от  скорости  движения  среды,  от   её  давления  и  температуры.

В  зависимости  от  скорости  и  некоторых  других  факторов  движение  среды  у  поверхности  твердого  тела  может  иметь  различный  характер -  при  малых  скоростях  и  небольшом  поперечном  сечении  потока  среда движется  параллельными  струями (ламинарно),  а  при   больших  скоростях  и  сечениях  потока  параллельное  движение  наблюдается только у поверхности, образуя  ламинарный  гидродинами- ческий пограничный  слой.  За  пределами  этого  слоя,  в  ядре  потока,  движение  хаотично,  с  интенсивным  перемешиванием  среды.  Такое  течение  называют  турбулентным.

Характер  течения  потока  определяется  так  называемым  числом  Рейнольдса  Re =`w l /n,  в  котором `w  -  средняя  по  сечению  потока (расходная)  скорость,  равная   V/w;   l - определяющий   размер  потока; n  -  кинематическая  вязкость  среды;  w  -  площадь  поперечного  сечения  потока;  V – объёмный  расход  среды.

При  набегании  потока  среды  на   твёрдое   тело,  если  даже   его  поле  скоростей  равномерно,  на  поверхности  появляется  динамический пограничный  слой,  толщина  которого  постепенно  растёт.  В  начале  слоя  его  движение  ламинарно,  а  затем   появляются  турбулентные  вихри  (рисунок 6).

При  наличии перепада  температур  между  средой  и  поверхностью  тела,  то  есть  при  наличии  теплообмена,  вместе  с  динамическим  слоем  образуется  тепловой пограничный  слой,  в  пределах  которого  наблюдается  наибольшее  изменение  температуры и  толщина  которого  определяет  интенсивность  теплообмена.

При  движении  среды  внутри  канала  пограничный  слой  не  может  свободно  развиваться  по  всей  его  длине.  На  начальном  участке  канала  у  стенок  будет  возникать  пограничный  слой,  как  при  обтекании  пластины,  но  когда  толщина  слоя  достигнет  половины  высоты (диаметра)  канала,  пограничные  слои  сомкнутся.  Расстояние  от  входа  в  канал  до  сечения  смыкания  слоев  называется  участком  гидродинамической  стабилизации l_ст.

                      Y                                                     

     w

                                                                                        х

                           х_к1

                          х_к2

Рисунок 6. – Схема  движения  среды  при  набегании её  на  поверх-    ность  твёрдого  тела .

Возможны  три  варианта  стабилизации:

·  l _ст  £ x _k1.  В  этом  случае  в  канале  по  всей  его  длине  за  сечением  стабилизации  устанавливается  ламинарный  режим  движения;

·  l _ст > x _k2 . Тогда  по  всей  длине  канала  за   сечением  стабилизации  устанавливается  турбулентный  режим  движения,  однако  у  самой  стенки  канала  сохраняется  вязкий  ламинарный  подслой;

·  x _k1 < l _ст <  x _k2.   При  этом  условии  в  канале  устанавливается  переходный  режим  движения.

На  прямых  участках  каналов  постоянного  поперечного  сечения  характер  движения  определяется  числом  Рейнольдса. При  Re £ 2300  течение  ламинарное  по  всему  сечению,  скорость  потока  по  его  толщине  меняется  по  параболе  второго  порядка (рисунок 7),  а  при     Re  >2300  режим  движения  становится  турбулентным – скорость  потока  в  области  гидродинамического  пограничного  слоя  резко  возрастает  от  нуля  на  поверхности  тела  почти  до  её  максимального  значения.  В  области  ядра  потока  скорость  меняется  мало.