Теоретичні основи теплотехніки (стр. 21 из 35)
Вільний рух рідини виникає в результаті дії масових сил; вимушенім -
при дії стороннх збудників (насоси, вентилятори). На процес конвективного теплообміну впливає і режим руху - ламінарний чи турбулентний При ламінарному русі течія має спокійний характер, при турбулентному -утворюються завихрення Але при люб ому режимі руху рідини в тонкому шарі біля поверхні стінки рух рідини в результаті дії сил тертя сповільнюється і швидкість падає до нуля. Тонкий шар рідини біля поверхні тіла, в якому відбувається зміна швидкості рідини від значення швидкості не збудженого потоку подалі від стінки до нуля безпосередньо на стінці називається динамічнимпограничним шаром.
Тонкий шар рідини, безпосередньо біля стінки, рух в якому має ламінарний характер,називають в'язкимпідшаром .Якщо температури стінкиі рідини неодинакові, то біля стінки утворюється тепловий пограничний шар, в якому відбувається вся зміна температури рідини. За пограничним шаром температура рідини постійна і рівна й. В загальному випадку товщини теплового і динамічного шару можуть не співпадати. Співвідношення товщини динамічного і теплового пограничних шарів визначається безрозмірним числом Прандля:
(22.2)Де v-кінематичнав'язкість рідини;
а-коефіцієнт температуропровідності.
Безпосередньо біля стінки в ламінарному підшарі перенесення теплоти до стіїки здійснюється теплопровід ні стю і може бутивиражене законом Фур'є:
Де п – нормаль до поверхні тіла
Цю ж кількість теплоти можна визначити законом Ньютона-Ріхмана
Прирівнюючи ці рівняння одержимо:
; 
(22.3)Диференціальне рівняння, що описуєумови теплообміну на поверхні каналу (п = 0) називається рівнянням тепгтопер едачі.
По своїй фізичній суті конвективний теплообмін є дуже складним процесом і залежить від великого числа факторів, які визначають процес тепловіддачі. В загальному випадку коефіцієнт тепловіддачі є функцією фізичних параметрів рідини, характеру руху, форми і розмірів тіла.
Звідси коефіцієнт тепловіддачі:
а =f(λ,l,ρ,v,υ,β,Ф,a). (22.4)
Рівняння (22.4) (показує, що коефіцієнт тепловіддачі -складна величина і для її визнач еннянеможливодатизагальну формулу. Як правило для визначення а необхідно використовувати експериментальні дослідження.
22.1 Основні поняття теорії подібності
При вивченні різних фізичних явищ використовують два методи досліджень, які дозволяють одержати кількісні закономірності. В першому методі використовується експериментальне дослідження конкретних властивостей одиничного явищ а, в друго му - виходять з теоретичного дослідження даної проблеми. Перевагою експериментального методу дослідження є достовірність одержаних результатів. Але результати даного експерименту не можуть бути використані стосовно другого явица, яке в деталях відрі зняєть ся від вивчено го.
Другий метод досліджень для знаходження кількісних характеристик використовує найбільш загальні закони природи, які в свою чергу є результатом надзвичайно широкого уза гальнення дослідних даних.
Будь-яке диференціальне рівняння є математичною моделлю цілого класу явищ.
Таким чином, гід класом розуміють таку сукупність явищ, які характеризуються основним механізмом процесіє і однаковою фізичною природою
Явища, які входять в клас, підпорядковуються однаковим рівнянням як по формі, так і по фізичному змісту величин, які в нього входять Наприклад, диференціальне рівняння теплопровідності.
До кожного диференціального рівняння необхідно поставити умови однозначності.
В багатьох випадках знайти рішення диференціального рівняння, яке б відповідало конкретним умовам однозначності неможливо.
Об'єднання двох методівздійснюється теорією подібності.
Крім класу явищ і одиничного явища теорія подібності вводить поняття групи явищ
Групою явищ називають сукупність фізичних процесів, які описуються однаковими по формі і змісту диференціальними рівняннями і однаковими по формі і змісту розмірними умовами однозначності.
Поняття про подібні сть явищ зустрічається ще в шкільному курсі, коли ми говоримо про подібність трикутників. В даному випадку мова йде про геометричну подібність. Можна також говорити про подібні сть картини руху двох потоків рідини - кінематичну подібність, подібність поля розподілу сил -динамічну подібні сть, подібність розподілу температур-теплову подібність.
В загальному вигляді поняття подібності явищ зводиться до наступних положень:
Понягтяпро подібність у відношенні до фізичних явищ можна тільки застосовувати до явищ фізично однорідних, які описуються однаковими по формі і по змісту аналітичними рівняїнями.
Обов'язковою умовою подібності явищ є геометрична подібність.
При аналізі подібних явищ сггівставляги між собою можна тільки однорідні величини у відповідних точках простору і у відповідний момент часу.
Однорідними називаються величини, які мають однаковий фізичний зміст і однакову розмірність.
Відповідними точками геометрично подібних систем називаються такі точки, координати яких задовольняють умові:
; 
; 
Два проміжки часу називають ся відповідними, якщо вони мають спільний моментвідгтіку і зв'язані між собою співвідношенням:
- Подібність двох фізичних явищ означає подібність всіх величин, які
характеризують дане явище.
Це означає, що у відповідних точках простору і у відповідний момент часу для любих однорідних фізичних величин справедлива рівність: Х1 = СХ2.
Коефіцієнт пропорційності С називається константою подібності, або постійною подібності.
Постійні подібності не можна встановлювати або вибирати випадкова Між ними існує зв'язок, який виводиться із математичного опису процесу. Сгівв ід ношення між постійними подібності встановлює існування особливих величин, які називаються числами подібності.
Числа подібності встановлюються з розв'язку диференціаттьних рівнянь або шляхом узагальнення експериментальних даних. Наприклад, розглянемо рівняннятеплопередачі (22.3):
(22.5)
(22.6)Позначимоконстантиподібності:
; 
; 
; 
Звідси:
; 
і.т.д., підставляючи ці співвідношення в рівняння (22.6) і скоротивши на С, одержимо:
(22.7)Рівняння (22.5) і (22.7) тотожні, оскільки виражають зв'язок між параметрами процесу, обумовленим диференціальні мрівнчнням тепловіддачі:
; 
де
- число Нуссельта - характеризує теплообмін в пограничному шарі.Безрозмірні числа подібності представляють собою нові змінні. Кількісний зв'язок між числами подібності визначається дослідним шляхом Вказівку на те, в якому напрямку вести експеримент дає теорія подібності.
В основу теорії подібності покладені три теореми
Перша теорема: Подібні між собою явища мають одинакові критерії подіон ості.
Теорема вказує на те, що при виконанні дослідів необхідно і достатньо вимірювати лише ті величини, які входять в числа подібності явища, яке ми вивчаємо.
Друга теорема подібності: Залежність між змінними величинами, які характеризують процес, може бути подана у вигляді залежності між числами подіон ості.
З другої теореми подібності випливає, що результати любого експерименту можна описати у вигляді критеріїв подібності і залежність між нимиподати увигляці рівнянь подібності.
Третя теорема подібності вказує необхідні умови для того, щоб явища виявилися подібними один одному.
Третя теорема може бути сформульована наступним чином - подібні ті процеси, умови однозначності яких подіоні, і числа подібності, складені зумов однозначності, чисельно одинакові.
Тобто вшначальнезначення мають числа подібності складені з величин, які входять в умови однозначності. Такі числа подібності називаються критеріямиподібності.
Таким чином, теорія подібності дозволяє не інтегруючи диференціальне рівняння одержати з них числа подібно сті і встановити рівняння подібності, які справедливі для всіх подібних процесів.
Конвективний теплообмін характеризується такими числами подібності:
числоПрандгля