Тема 4. Основные положения конвективного теплообмена

Содержание темы.

Конвективный теплообмен как совокупность молярного и молекулярного переноса. Теплоотдача. Основные случаи теплоотдачи: теплоотдача в однофазных жидкостях и при фазовых и химических превращениях, при вынужденной и естественной конвекции. Основные физические параметры, существенные для процессов течения и теплоотдачи. Понятие о теплоотдаче при течении газа с большой скоростью и течении разреженных газов.

Понятие о тепловом пограничном слое. Особенности теплообмена при ламинарном и турбулентном течениях жидкости. Пульсации скорости и температуры в турбулентном потоке. Осреднение скоростей и температур. Система дифференциальных уравнений неизотермического движения: уравнения теплоотдачи, энергии, движения и сплошности. Условия однозначности.

Литература: [1,гл.4]

Методические указания.

Нужно хорошо представлять сложный характер теплообмена между стенкой и омывающей ее жидкостью, знать классификацию явлений конвективного теплообмена, научиться определять коэффициент теплоотдачи в наиболее характерных случаях конвективного теплообмена.

Вопросы для самопроверки.

4.1. Можно ли коэффициент теплопроводности и коэффициент теплоотдачи выражать в одинаковых единицах? (Да, нет).

4.2. Зависит ли конвективный теплообмен только от интенсивности перемешивания неравномерно нагретых масс жидкостей? (Да, нет).

4.3. Могут ли быть одинаковыми единицы коэффициентов вязкости – динамического и кинематического? (Да, нет).

4.4. Могут ли совпадать числовые значения кинематического коэффициента вязкости, выраженного в системах МКГСС и СИ? (Да, нет).

4.5. Можно ли определить коэффициент объемного расширения газов или жидкости по формуле ? (Да, нет).

4.6. Может ли свободная конвекция влиять на теплоотдачу в условиях вынужденной конвекции? (Да, нет).

4.7. Является ли система дифференциальных уравнений: а) конвективного теплообмена; б) энергии; в) движения; г) сплошности – системой, полностью характеризующей совокупность законов, определяющих процесс конвективного теплообмена? (Да, нет).

4.8. Одинаков ли перечень условий однозначности при нестационарной теплопроводности твердого тела и при конвективном теплообмене? (Да, нет).

4.9. Одинаково ли содержание граничных условий, характеризующих процессы нестационарной теплопроводности твердого тела и конвективного теплообмена? (Да, нет).

4.10. Могут ли совпадать по толщине гидродинамический и тепловой слои? (Да, нет).

4.11. Существуют ли условия, при которых законы движения и теплоотдачи для несжимаемой жидкости применимы к газам? (Да, нет).

4.12. Упрощается ли уравнение сплошности в случае «безградиентного течения» в пограничном слое? (Да, нет).

 

Тема 5. Основы метода подобия и моделирования

Содержание темы.

Значение теории подобия. Приведение уравнений конвективного теплообмена к безразмерному виду. Числа подобия. Общие условия подобия физических процессов. Определяющие числа подобия – критерии. Свойства подобных процессов. Методы анализа размерностей. Сущность моделирования. Условия подобия процессов в образце и модели. Физически однородное и неоднородное моделирование. Приближенное моделирование.

Литература: [1,гл.5]

Методические указания.

Следует различать определение подобия как описание всех признаков подобия и условие подобия как описание минимума признаков, достаточных для выполнения всех остальных признаков подобия.

Определением подобия является формула (5-26) [1], согласно которой, если процессы подобны, то подобны и формы их границ (геометрическое подобие), поля скоростей и давлений (гидродинамическое подобие), поля температур и плотностей тепловых потоков (тепловое подобие). Условием подобия является теорема Кирпичева-Гухмана.

[1,§5.4пп.1,2,3]

Вопросы для самопроверки.

5.1. Совпадают ли по форме безразмерные комплексы, выражающие число Био и число Нуссельта? (Да, нет).

5.2. Совпадают ли по содержанию безразмерные комплексы, выражающие число Био и число Нуссельта? (Да, нет).

5.3. Содержится ли однородная (одноименная) физическая величина в ком-плексах, выражающих числа Нуссельта, Пекле, Рейнольдса и Грасгофа? (Да, нет).

5.4. Содержится ли однородная (одноименная) физическая величина в числителе комплексов, выражающих числа Эйлера и Прандтля? (Да, нет).

5.5. Относятся ли явления свободной конвекции в большом объеме и вынужденной конвекции к одному классу физических явлений? (Да, нет).

5.6. Удовлетворяют ли процессы теплообмена при ламинарном и при турбулентном режимах движения жидкости первому из условий подобия (первому условию теоремы Кирпичева-Гухмана)? (Да, нет).

5.7. Является ли необходимым условием подобия процессов конвективного теплообмена равенство числовых значений, характеризующих условия однозначности? (Да, нет).

5.8. Должны ли быть одинаковыми числовые значения коэффициентов теплоотдачи вследствие того, что два различных процесса теплоотдачи удовлетворяют всем трем условиям однозначности? (Да, нет).

5.9. В ряду безразмерных величин Θ, W, Nu, Eu, Re, Pr, Pe, Cr содержатся ли независимые переменные? (Да, нет).

5.10. Содержатся ли в этом ряду зависимые переменные? (Да, нет).

5.11. В случае, когда подобие двух процессов достигнуто, могут ли отличаться числовые значения физических величин в точках? (Да, нет).

5.12. В случае, когда подобие двух процессов достигнуто, совпадают ли зависимые безразмерные величины в сходственных точках? (Да, нет).

Тема 6. Основные вопросы методологии эксперимента

Содержание темы.

Осреднение коэффициентов теплоотдачи. Осреднение температуры жидкости по сечению и длине канала. Осреднение частного температурного напора по длине канала. Выбор определяющих размеров и температур. Обобщение опытных данных. Получение эмпирических уравнений.

Литература: [1,гл.6]

Методические указания.

В связи с неопределенностью формулы Ньютона-Рихмана в отношении того, что принимать за tж, возникает необходимость в дополнительном указании, какой из возможных вариантов задания tж выбран в каждом конкретном исследовании. В зависимости от выбора tж как определяющей температуры зависит и коэффициент теплоотдачи (см. приложение 2).

Вопросы для самопроверки.

6.1. Верно ли, что зависимость коэффициента теплоотдачи ά от температуры представлена в таблицах теплофизических свойств веществ наряду с λ, а и другими величинами? (Да, нет).

6.2. Могут ли быть одинаковыми значения среднеинтегрального (по поверхности) коэффициента теплоотдачи и среднего коэффициента теплоотдачи, полученного делением теплового потока на среднеинтегральный (по поверхности) перепад температур в пограничном слое? (Да, нет).

6.3. Может ли среднелогарифмический температурный напор превышать все местные температурные напоры на участке осреднения? (Да, нет).

6.4. Верно ли, что в качестве определяющего размера может быть взят любой линейный размер, введенный в состав условий однозначности? (Да, нет).

6.5. Верно ли, что в качестве определяющей температуры может быть взята любая температура, введенная в условия однозначности? (Да, нет).

6.6. Всегда ли одинаковы обозначения (и способы вычисления) определяющих температур при расчете местного (ά) и при расчете среднего (ά) коэффициентов теплоотдачи? (Да, нет).

6.7. Существуют ли процессы конвективной теплоотдачи, при которых число-вые значения определяющих температур или больше, чем tс? (Да, нет).

6.8. Всегда ли tс<tm<tж в процессах конвективной теплоотдачи при отводе теплоты от несжимаемой жидкости? (Да, нет).

6.9. Всегда ли tс<tm<tж в процессах конвективной теплоотдачи при отводе теплоты от несжимаемой жидкости? (Да, нет).

6.10. Всегда ли в процессах конвективной теплоотдачи от несжимаемой жидкости при температуре стенки tс=const начальный температурный напор Δt1 больше среднего Δt? (Да, нет).

6.11. Можно ли по величине среднего температурного напора вычислить начальный Δt1 и конечный Δt2 температурных напоров? (Да, нет).

6.12. Можно ли по значениям начального Δt1 и конечного Δt2 температурных напоров вычислить средний температурный напор Δt? (Да, нет).