Температурне поле. Градієнт температури.

Якщо любе тіло з різними температурами в його точках перетнути площиною, то на ній можна отримати сімейство кривих ізотерм, які замикаються на цій площині, або закінчуються на межі тіла.

Ізотерма—крива, що з’єднує точки тіла з однаковою температурою. В залежності від кількості координат і наявності часу, температурні поля називаються трьохмірним нестаціонарним, що описується рівнянням .

Градієнт температури, векторна величина, яка направлена в бік зростання температури і рівна відношенню нескінченно малого приросту температури до приросту відстані по нормалі (найкоротша відстань) між двома сусідніми ізотермами і підраховується з рівняння,

 

[К/м]_.

 

 

де t – температура, К; n – відстань, м.

Вектор направлений в бік її зростання, а вектор переносу теплоти має протилежний напрямок, оскільки теплота передається від точки тіла з більшою температурою до точки тіла з меншою.

 

Теплопровідність. Закон Фур’є.

Теплопровідність в чистому вигляді спостерігається лише в твердих тілах, нерухомих газах і рідинах при неможливості виникнення в останніх конвекції. В основі задач теплопровідності лежить запропонована Фур’є гіпотеза про пропорційність густини теплового потоку і , тобто

,

де - густина теплового потоку, Вт/м²; - градієнт температури, К/м; - коефіцієнт теплопровідності (пропорційності) даного тіла, Вт/(м·К).

- коефіцієнт теплопровідності будь-якого тіла (газу, рідини, твердого тіла, суміші) визначається для даного конкретного тіла лише в результаті його лабораторних досліджень. Ніяким аналітичним шляхом коефіцієнт теплопровідності для даного тіла отримати не можливо. Коефіцієнт теплопровідності для будь-якого тіла залежить від його температури та із зростанням температури тіла коефіцієнт теплопровідності зростає прямопропорційно. Для кожного тіла при конкретній температурі коефіцієнт теплопровідності береться з таблиць. Коефіцієнт теплопровідності для газів—0,5 - 0,05 Вт/(К·м); води—0,5 – 0,7 Вт/(К·м); сталей—20 – 100 Вт/(К·м). В самому загальному випадку процес теплопровідності через тіло у формі куба з одиничною довжиною грані і додатковим джерелом теплоти в середині куба описується диференційним рівнянням теплопровідності, що має вигляд

,

де зміна температури одиничного об’єму тіла з часом, К/с; коефіцієнт температуропровідності одиничного об’єму твердого тіла, м²/с, ,

де густина тіла, кг/м³; теплоємність тіла Дж/(кг·К); кількість теплоти, яка виділяється в одиничному об’ємі тіла за рахунок внутрішніх джерел, Дж; оператор Лапласа

Із загального рівняння теплопровідності при наявності умов однозначності виділяють конкретну простішу задачу теплопровідності, що описує дане фізичне явище теплопровідності. Існують різні умови однозначності:

1) геометричні, які описують розміри і форму тіла, в якому розглядають процес теплопровідності;

2) фізичні, які описують характерні фізичні властивості тіла;

3) часові—характеризують розподіл температур тіла на початку і в кінці розгляду процесу теплопровідності (початковий і кінцевий момент часу);

4) граничні—характеризують взаємодію тіла з оточуючим середовищем.

В свою чергу граничні умови є трьох видів:

а) першого роду—задані законом розподілу температур по всій поверхні і з часом;

б) другого роду—задаються густиною теплового потоку для поверхні тіла з часом;

в) третього роду—задаються температурою омиваючого середовища із зовні тіла і законом тепловіддачі між зовнішньою поверхню тіла і омиваючим середовищем (законом Ньютона-Ріхмана).

Лекція 15

Конвективний теплообмін. Основні поняття і визначення. Рівняння Ньютона-Ріхмана. Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією α. Диференційне рівняння теплообміну. Основи теорії подібності. Визначуваний і визначаючий критерій. Метод моделювання. Фізичний зміст основних критеріїв подібності. Тепловіддача при русі середовища. Розрахункові рівняння коефіцієнта тепловіддачі основних задач.

Конвективний теплообмін

Явище конвективного переносу теплоти спостерігається лише в рідинах і газах, коли теплота переноситься разом з масою рухомого середовища. Розрізняють вимушену конвекцію, коли збудником руху є насос, компресор, вільну—яка відбувається за рахунок руху підігрітого середовища в гору.

В інженерній практиці широко застосовують явище тепловіддачі, тобто конвективний обмін між рухомим середовищем і нерухомою стінкою. Тепловіддача конвекцією описується в загальному випадку рівнянням Ньютона-Ріхмана

,

де - кількість теплоти, що передається теплопровідністю, Дж;

- коефіцієнт тепловіддачі конвекцією Вт/(м²·К);

- середній температурний напір між нерухомою стінкою і середовищем, К;

- площа поверхні теплообміну, м²;

- час, с.

Для випадку стаціонарної тепловіддачі попереднє рівняння матиме вигляд

,

- тепловий потік, Вт;

- складна величина, на значення якої впливають найменші зміни наступних факторів: вимушена або вільна конвекція; фізичні властивості тіла і середовища; геометричні форми нерухомої стінки; напрямок руху середовища (кут атакі).

Враховують три режими руху середовища в середині каналу змінної форми або вздовж нерухомої стінки: турбулентний—коли інтенсивне переміщення сусідніх шарів середовища; ламінарний—коли не перемішуються сусідні шари рухомого середовища; перехідний—режим, коли мають місце елементи ламінарного і турбулентного режимів.