Конвективный теплообмен. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Конвективный теплообмен - необратимый процесс переноса теплоты в движущихся средах с неоднородным полем температуры, обусловленный совместным действием конвекции и молекулярного движения.

Наиб. важный для практики случай - К. т. между движущейся средой и поверхностью её раздела с др. средой (твёрдым телом, жидкостью или газом) - наз. конвективной теплоотдачей. Вследствие вязкости движущейся среды она "прилипает" к поверхности раздела, в результате местная скорость среды относительно этой поверхности равна нулю. Поэтому плотность конвективного теплового потока, подходящего к поверхности раздела (или отходящего от неё), может быть описана с помощью закона теплопроводности (закона Фурье):

где

- коэф. молекулярной теплопроводности, Т - темп-pa среды. Если

характеризует физ. свойства среды, то градиент температуры формируется под действием конвективного движения среды. Чем интенсивнее конвекция, тем больше градиент температуры. Определение градиента температуры у стенки обычно является предметом теоретич. или эксперим. исследования. В зависимости от вида конвективного движения различают К. т. при вынужденной, свободной и капиллярной конвекциях. Могут существовать и смешанные виды К. т.

Теоретич. описание процесса К. т. строится на основе ур-ния сохранения энергии в среде:

где

- плотность среды, р - давление, с_р - уд. теплоёмкость при пост. давлении,

- коэф. динамич. вязкости, Ф - диссипативная функция, учитывающая нагрев среды из-за внутр. трения, Q - внутр. тепловыделение в единице объёма среды,

- полная, или субстанциональная, производная по времени т, представляющая собой сумму локальной и конвективной составляющих:

(х, у, z - пространств. координаты, и,

- составляющие вектора скорости вдоль осей этих координат).

Для решения ур-ния (2) необходимо знать граничные условия на поверхности раздела и в окружающем пространстве, а также в случае зависимости процесса от времени - нач. условия. Для определения входящих в ур-ние (2) составляющих скорости среды дополнительно привлекаются ур-ния сохранения кол-ва движения в проекции на разл. оси координат.

К. т. может осложняться протеканием в среде или на поверхности раздела разных физ--хим. превращений (кипение, плавление, конденсация, диссоциация, ионизация и т. п.). В этих случаях для теоретич. описания К. т. используются дополнит. ур-ния, отражающие кинетику отд. физ--хим. процессов или условия термодинамич. равновесия, напр. законы действующих масс для разл. хим. реакций. Если при этом отд. физ--хим. превращения протекают на поверхности раздела и имеет место суммарный расход массы через эту поверхность, то вместо ур-ния (1) для описания плотности теплового потока к поверхности раздела используется более общее ур-ние:

где

- скорость среды в направлении нормали к поверхности, Я - энтальпия среды при температуре поверхности,

- относит. массовые концентрации отд. хим. компонентов,

- их скорости диффузии в направлении нормали к поверхности,

- их энтальпии при температуре поверхности раздела, вычисленные с учётом энергии образования этих компонентов при стандартных условиях.

Подходящий к поверхности раздела конвективный тепловой поток удобно представлять в виде закона Ньютона:

где

- коэф. конвективного теплообмена, Т

- температура поверхности раздела, Т_с - характерная температура среды. В качестве Т_с при обтекании тела безграничным равномерным потоком принимается темп-pa внеш. среды (при больших скоростях среды - темп-pa торможения, или т. н. "равновесная" темп-pa; см. Аэродинамический нагрев), при течении в трубах или процессах К. т. в замкнутых сосудах - среднемассовая температура среды.

Описание процесса К. т. может быть представлено в безразмерном виде с использованием подобия теории. Интенсивность К. т. характеризуется безразмерным критерием - Нусселъта числом, где L - характерный размер. В случае К. т. при вынужденной конвекции осн. определяющим критерием является Рейнолъдса число

, где V - скорость среды,

- коэф. динамич. вязкости. Кроме числа Рейнольдса влияние на К. т. оказывает Прандтля число

= =

и т. н. температурный фактор

учитывающий переменность теплофиз. свойств среды при изменении её температуры. В результате критериальный закон К. т. при вынужденной конвекции имеет вид

Помимо перечисленных основных определяющих критериев на К. т. при вынужденной конвекции могут оказывать влияние и др. факторы. В частности, при больших скоростях полёта тела в атмосфере важную роль играет Маха число.

Вид зависимости (5) определяется геом. формой поверхности раздела и режимом её обтекания, в частности режимом течения в пограничном слое (ламинарным или турбулентным), наличием и положением зон отрыва потока (см. Отрывное течение ).Критериальные законы К. т. в виде (5) могут быть получены как на основании теоретич. расчётов [напр., численным решением системы ур-ний (2) и др.], так и экспериментально - путём исследования теплоотдачи к моделям подобной геом. формы в представляющем интерес диапазоне изменения числа Рейнольдса и др. определяющих критериев. Напр., средний коэф. К. т. в случае поперечного обтекания цилиндра описывается с помощью степенной зависимости Nu=

, причём С и m имеют разл. значение для разных диапазонов изменения числа Рейнольдса:

При свободной (естественной) конвекции осн. определяющим критерием К. т. является Грасгофа число , где - ускорение свободного падения,

- коэф. объёмного температурного расширения среды,

- коэф. кинематич. вязкости,

- характерный перепад температур внутри среды. Критериальный закон принимает вид

. При

0,5 определяющую роль в процессе К. т. играет

лея число

, _ объединяющее критерии

где

- коэф. температуропроводности среды. Напр., средний коэф. К. т. при свободной конвекции бесконечной среды около горизонтального цилиндра н случае

описывается степенным законом:

, причём С и n связаны с реализуемым режимом течения около цилиндра и могут быть приняты равными значениям, приведённым в табл.

В случае жидких металлов, для к-рых

, определяющую роль в процессе К. т. при свободной конвекции играет комбинированный критерий

При капиллярной конвекции осн. определяющими критериями К. т. являются числа Марангони

- перепад поверхностного натяжения вследствие изменения температуры и концентрации с поверхностно-активного вещества вдоль свободной поверхности.

Литература по конвективному теплообмену

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.


Re	С	m
5-80	0,923	0,40
	0,792	0,46
	0, 225	0,60
	0,0262	0,80


Ra	С	n
	0,45	0
	1,18	1/8
	0,54	1/4
	0, 135	1/3