Теплообмен при вынужденном движении вдоль пластины

Если плоская поверхность пластины омывается безграничным потоком с равномерным распределением скоростей, то начиная от передней кромки пластины на ней образуется гидродинамический пограничный слой. По толщине подслоя вследствие трения скорость жидкости изменяется от скорости, равной скорости невозмущенного потока, до нуля. Течение жидкости в пограничном слое может быть, как ламинарным, так и турбулентным.

Опыты показывают, что переход от ламинарного режима течения к турбулентному происходит не мгновенно, а постепенно на некотором участке, течение на котором называется переходным.

О режиме течения в пограничном слое судят также по числу Рейнольдса. Так, ламинарный режим течения в пограничном слое имеет место в изотермических потоках при , а в неизотермических – при (индексы «ж» и «l» показывают, что число Рейнольдса берется при температуре жидкости и длине пластины), и разрушение ламинарного слоя зависит от степени турбулентности набегающего потока. При наличии разности температур между потоком жидкости и пластиной у поверхности последней кроме гидродинамического образуется также и тепловой пограничный слой. В пределах теплового пограничного слоя температура жидкости изменяется от температуры потока вдали от пластины до температуры, равной температуре поверхности пластины.

Анализ опытных данных показывает, что коэффициент теплоотдачи зависит не только от изменения хара4ктера течения жидкости (ламинарного или турбулентного(, но и от рода жидкости, ее температуры, температурного напора и направления теплового потока, являющихся функцией температуры. Особенное значение имеет изменение вязкости жидкости в пограничном слое. Кроме того, при малых скоростях течения жидкости большое влияние на теплоотдачу оказывает естественная конвекция. В связи с тем, что влияние всех этих факторов на теплоотдачу в настоящее время в достаточной степени не выявлено, для определения среднего коэффициента теплоотдачи пластины, омываемой продольным потоком жидкости при ламинарном режиме в пограничном слое, можно рекомендовать следующие приближенные формулы М.А. Михеева

при значениях чисел :

. (17.6)

Для воздуха при формула упрощается:

. (17.7)

В этих формулах за определяющую температуру принята температура набегающего потока ( берется по температуре стенки); за определяющую скорость – скорость набегающего потока; за определяющий размер – длина потока по направлению потока. Влияние естественной конвекции на теплоотдачу в этих формулах не учитывается; этот вопрос требует дальнейшего исследования.

При турбулентном гидродинамическом пограничном слое у поверхности пластины образуется тонкий слой ламинарно текущей жидкости, называемый ламинарным подслоем, в котором происходит основное изменение скорости потока. Также в ламинарном подслое происходят почти все изменения температуры текущей жидкости, т.е. ламинарный подслой представляет собой главное гидродинамическое и термическое сопротивление.

В настоящее время расчет конвективной теплоотдачи обычно производят экспериментальным формулам. Для определения среднего коэффициента теплоотдачи капельных жидкостей при турбулентном пограничном слое у поверхности пластины при значениях числа можно использовать следующее уравнение:

, (17.8)

а для воздуха -

. (17.9)

За определяющую температуру принята температура жидкости вдали от пластины; за определяющий размер берется длина пластины по направлению потока.

Опыты показывают, что при развитом турбулентном течении жидкости теплоотдача не зависит от числа и, следовательно, в передаче всего количества теплоты принимает участие не естественная, а вынужденная конвекция.