Свободная конвекция в неограниченном пространстве

Рассматривается стационарная теплоотдача от поверхности тела с температурой к большому (по сравнению с размерами тела) объёму жидкости с постоянной (вдали от тела) температурой . Для определённости будет считать, что у поверхности тела жидкость нагревается и расширяется, то есть . При охлаждении и сжатии картина будет точно такой же, но перевёрнутой “вверх ногами”.

Вертикальные поверхности

К этому случаю относятся плоские стенки, вертикальные трубы, боковые поверхности аппаратов и т.п. И качественно, и количественно теплообмен почти не зависит от формы и размеров сечения тела в горизонтальной плоскости.

Картина процесса. У стенки жидкость нагревается и поднимается вверх. В нижней части слой тонкий, движение ламинарное. С высотой погранслой утолщается и становится “локонообразным”, турбулентным.

Поперёк слоя скорость от нуля у стенки достигает максимума и снова убывает до нуля на внешней границе погранслоя (рис.). Температура же убывает монотонно (рис.). Коэффициент теплоотдачи в ламинарном слое убывает с высотой, потом растёт на переходном режиме и стабилизируется при турбулентном (рис. б).

а б

Рис.

Уравнения подобия. Определяющая температура жидкости – вне движущегося слоя, используется для , кроме , – температура стенки. Определяющий размер – высота поверхности нагрева (то есть если стенка нагревается не по всей высоте, то не высота стенки!). Температурный напор .

Числа подобия ; . Режим теплообмена определяется числом . Упрощенные уравнения подобия, без отдельного учёта влияния Pr, описываются так.

При конвекция не проявляется, теплообмен рассчитывают как чистую теплопроводность в неподвижной жидкости.

При имеет место ламинарный режим, вид уравнения

. (6)

При – турбулентный режим:

. (7)