Тема 2. Конвективный теплообмен.

Механизм переноса теплоты в движущейся среде. Свободное и вынужденное движение теплоносителя. Ламинарный и турбулентный режим течения. Закон конвективной теплоотдачи (закон Ньютона-Рихмана). Коэффициент теплоотдачи.

Математическая формулировка задачи расчета коэффициента теплоотдачи. Уравнение теплоотдачи в пограничном слое. Уравнение переноса тепловой энергии. Уравнение движения вязкого теплоносителя (уравнение Навье-Стокса).

Основы теории подобия. Условия подобия физических явлений, индикаторы подобия. Критериальные числа подобия Нуссельта (Nu), Пекле (Pe), Рейнольдса (Re), Грасгофа (Gr), Прандтля (Pr).

Критериальные уравнения конвективной теплоотдачи. Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителя по трубам. Теплоотдача при свободном движении теплоносителя в неограниченном пространстве (горизонтально расположенная труба).

v В предыдущем разделе курса, при рассмотрении граничных условий третьего рода уже фигурировали закон Ньютона-Рихмана и коэффициент теплоотдачи a, численное значение которого считалось известным. Основной задачей раздела, посвященного конвективному механизму переноса теплоты движущейся средой (теплоносителем), является изучение методик определения коэффициента теплоотдачи и применения их для практических расчетов. Здесь можно выделить два пути решения проблемы. Первый из них заключается в точном расчете a из уравнения теплоотдачи в пограничном слое с использованием уравнения переноса тепловой энергии и уравнения движения вязкого теплоносителя (уравнение Навье-Стокса). Такая процедура, связанная с решением нескольких дифференциальных уравнений, весьма трудоемка даже для современных компьютерных средств вычислений. Второй путь создания методики определения коэффициента теплоотдачи базируется на физическом моделировании и обобщении экспериментальных данных с помощью теории подобия в виде критериальных уравнений теплоотдачи.

v Здесь нужно твердо усвоить физический смысл отдельных критериальных чисел подобия, участвующих в описании конвективного переноса теплоты: значением Nu оценивается интенсивность теплоотдачи с поверхности твердого тела в подвижную окружающую среду, критерии Re и Gr характеризуют интенсивность вынужденного и свободного движения теплоносителя, величина Pr показывает соотношение его механических и тепловых свойств.

v Необходимо детально освоить процедуру расчета коэффициента теплоотдачи a с применением критериальных уравнений теплоотдачи вида Nu = C Grⁿ¹ Reⁿ² Prⁿ³. Рассмотрите теплообмен при вынужденном движении теплоносителя по трубам, а также при его свободной циркуляции. Обратите вниманиена методику получения критериальных уравнений путем обобщения экспериментальных данных по теплоотдаче в подобных условиях.