Теоретичні основи. Рух рідини, що виникає внаслідок різниці густин нагрітих і холодних об'ємів цієї рідини, називається вільним

Рух рідини, що виникає внаслідок різниці густин нагрітих і холодних об'ємів цієї рідини, називається вільним.

Умови виникнення і розвитку такого руху у даному випадку є такі. Рідина від дотику із гарячою поверхнею нагрівається і розширюється. Тоді в зв'язку з різницею густин нагрітих і холодних об'ємів виникає під'ємна сила, під дією якої нагріта рідина піднімається вверх (спливає). На її місце надходить холодна рідина, яка також нагрівається і рухається вгору. Якщо поверхня холодніша за рідину, тоді від дотику з нею повітря охолоджується і опускається вниз.

Таким чином, вільний рух рідини визначається наявністю теплообміну. Чим більше передається теплоти, тобто чим інтенсивніший теплообмін, тим інтенсивніший і рух. Так як кількість переданого тепла пропорціональна поверхні тіла і різниці температур поверхні та рідини, то вільний рух рідини визначається також і цими факторами.

Від температурного напору залежить різниця густин і під'ємна сила, а від поверхні – зона розповсюдження процесу. В залежності від значення і співвідношення цих величин характер руху рідини буває різним. В зальному випадку при вільному русі рідини розрізняють три режими – ламінарний, перехідний (локоновидний) і турбулентний (вихровий).

Поява того чи іншого режиму визначається температурним напором . При < 15 °С переважає ламінарний режим, при > 15 °С – вихровий. На нижній ділянці труби ламінарний режим зберігається і при великих температурних напорах.

Картина вільного руху впродовж вертикальної труби однакова, однакова також і для похилої труби, вертикальної стінки, різних тіл овальної форми. В розвитку процесу вільного руху рідини форма тіла грає другорядне значення. При цьому більше значення має довжина поверхні, впродовж якої рухається нагріта рідина.

Для тонкого циліндру d = 0,2... 1 мм розвиток вільного руху рідини дещо інший. Так як поверхня тіла мала, то і кількість теплоти, яка передається, незначна. Тому тут ламінарний режим руху зберігається і при великих температурних напорах. Навколо тонкого циліндру утворюється майже нерухома плівка рідини.

Картина вільного руху рідини справедлива для будь-якої рідини або газу.

Критеріями, що визначають ці процеси являються критерій Прандтля та критерій Грасгоффа:

v / а;

Дослідження процесу тепловіддачі для тіл різної форми при вільному русі рідини в необмеженому просторі зводиться до визначення функціональної залежності критерію Нусельта:

Значення коефіцієнтів С та показника n залежить від числового значення комплексу () і не залежить від форми тіла. Значення коефіцієнтів С та показник n визначаються за табл. 9.

Таблиця 9

Значення коефіцієнтів

Ділянки		С	n
	Від 0 до 1*10-3	0,50
	Від 1*10-3до 5*102	1,18	0,125
	Від 5*102 до 2*107	0,54	0,25
	Від 2*107 до 1*1013	0,135	0,333