2015-06-28
1907
под неограниченным пространством подразумевается такое достаточно большое пространство, при котором конвективное движение жидкости у других тел, расположенных в этом пространстве, не сказывается на рассматриваемом течении.
при соприкосновении, например воздуха, с нагретым телом воздух нагревается, становится легче и поднимается вверх. Если же тело холоднее воздуха, тогда, наоборот, от соприкосновения с ним воздух охлаждается, становится тяжелее и опускается вниз. (Рис 2.31). На рис. 2.32 показана типичная картина движения нагретого воды вдоль вертикальной плоской поверхности [Фед]:.
 |
Рис 2.31. Течение при свободной конвекции: а- при tc > tж ; б - при tc < tж .
Рисунок 2.32. движение воды при свободной конвекции вдоль нагретой вертикальной поверхности: а) при Δt= 5 оС; б) - 15 оС; в) - 25 оС
При свободном движении жидкости в пограничном слое температура жидкости изменяется от tc до tж, а скорость — от нуля у стенки проходит через максимум и на большом удалении от стенки снова равна нулю (рис. 2.33). Вначале толщина нагретого слоя мала и течение жидкости имеет ламинарный характер. Но по направлению движения толщина слоя увеличивается и при определенном ее значении течение жидкости становится неустойчивым и далее переходит в турбулентное, с отрывом вихрей от стенки. Переход от ламинарного режима течения к турбулентному происходит при критическом значении
|
|
|
С изменением характера движения изменяется и теплоотдача. Максимальная теплоотдача достигается на нижней кромке (рис. 2.34). На участке ламинарного движении вследствие увеличения толщины пограничного слоя коэффициент теплоотдачи по направлению движения убывает, а при турбулентном он резко возрастает и затем стабилизируется по высоте.
| 
|
| Рисунок 2.33 – Изменение температуры tж и скорости w при свободном движении среды вдоль нагретой вертикальной стенки | Рисунок 2.34 – Изменение коэффициента теплоотдачи по высоте трубы или пластины при свободном движении среды Дать Х критич |
В развитии свободного движения существенную роль играют температурный напор tc - tж, (Рис. 2.32), с увеличением которого течение становится более интенсивным. Соответствующим образом увеличивается и теплоотдача (Рис. 2.35) [Фед]:.
Загнать в ноль
 |
ЗА
Рис 2.35.- Зависимость коэффициента теплоотдачи α от температурного напора tc - tж
Кроме того, существенно влияние на рассматриваемые процессы оказывает ориентация поверхности и её протяженности. На Рис 2.36 показано изменение характера течения при изменении угла наклона поверхности.
 |
|
|
|
Крайний правый
дать Крайний правый
Рис. 2.36. – Течение жидкости при свободной конвекции вдоль теплоотдающей поверхности, повернутой вверх на +30°, +45°, и вниз на -30° и -45° при Δt= 25 °С.
Около нагретых горизонтальных плоских стенок или плит движение жидкости имеет иной характер и в значительной мере зависит от положения плиты и ее размеров. Если нагретая поверхность обращена вверх и имеет небольшие размеры, то движение протекает по схеме рис. 2.37а.
Рисунок 2.37 – Характер свободного движения жидкости около нагретых горизонтальных плит
если же плита имеет большие размеры, то движение жидкости усложняется (рис. 2.37, б). По краям плиты сохраняются вертикальные восходящие потоки. На рис. 2.38 показана фотография визуализации такого течения. Наглядно видны темные восходящие термики. Если же слой жидкости над плитой сравнительно небольшой, то последовательное сочетание восходящих и нисходящих потоков искажают свободную поверхность жидкости, как это показано на рис. 2.39.
Рис. 2.38.- Фотография визуализации восходящих потоков у нагретой обращенной вверх горизонтальной плоской поверхности
Рис. 2.39. - Фотография визуализации искажения свободной поверхности жидкости под воздействием восходящих и нисходящих потоков нагретой плоской повехности, обращенной вверх.
Если же нагретая поверхность обращена вниз, то в этом случае движение происходит лишь в тонком слое под поверхностью (рис.2.37, в); остальная же масса жидкости ниже этого слоя остается неподвижной. На рис. 2.40 показаны результаты визуальных исследований [Фед]. Светлая область соответствует прогретому слою воздуха, охлаждающего пластину шириной 0,4м.
Рис.2.40.- Визуализация прогретому слою воздуха у ориентированной горизонтально вниз пластины
Изменение ориентации плоской поверхности существенным образом влияет на теплоотдачу. На рис. 2.41 представлены экспериментальные данные, полученные для плоской плиты, находящейся в воде[Фед]. При этом угол наклона φ = 0 град. соответствует вертикальной пластине, а φ = -90 и 90 град. для горизонтальной пластины ориентированной теплоотдающей стороной соответственно вниз и вверх.
ПОДПРАВИТЬ ОБОЗНАЧЕН
Рис 2.41 Зависимость коэффициента теплоотдачи плоской поверхности от ориетации (угла наклона φ при различных температурных напорах: 1- Δt = … °С; 2 - …°С; 3 - …°С.
Характер движения воздуха около нагретых горизонтальных труб различного диаметра представлен на рис. 2.42. Несмотря на имеющиеся различия, общие закономерности развития процесса аналогичны описанным для вертикальной поверхности.
ЗАГЛАДИТЬ ФОН
Рисунок 2.42 – Характер свободного движения воздуха около горизонтальных труб
а) d = 28 мм; б) d = 250 мм; вид с торца
Теплоотдача в условиях свободного движения была исследована для разных тел и жидкостей. В результате обобщения опытных данных получены уравнения подобия:
для горизонтальных труб [65]:
(2-33)
при 
для вертикальных поверхностей (трубы, пластины):
а) при 
(ламинарный режим)
(2-34)
б) при 
(турбулентный режим)
(2-35)
Для газов Рr = const, а 
, и поэтому все приведенные выше расчетные формулы упрощаются. В частности для воздуха Рr = 0,7 и эти зависимости принимают вид:
(2-33а)
(2-34а)
(2-35а)
В приведенных зависимостях в качестве определяющей температуры принята температура окружающей среды tж. В качестве характерного линейного размера для горизонтальных труб принят диаметр d, а для вертикальных поверхностей — высота h.
Следует отметить, что если теплоотдающие поверхности приближаются друг к другу, то характер течения жидкости изменяется и существенно зависит от зазора и температурного напора. Это хорошо видно на рис. 2.43. [ Фед ].
