Ні поняття і визначення
Теплообмін, який наразі триває шляхом перенесення теплоти разом з перенесенням маси при русі рідини або газу, називається конвективним теплообміном. В конвективному теплообміні можна виділити дві складові: чисту конвекцію. тобто перенесення тепла тільки за рахунок перенесення маси, і теплопровідність. тобто молекулярний перенос тепла, який як і раніше здійснюється в рідині або газі.
Конвективная тепловіддача - це конвективний теплообмін між потоком рідини або газу і дотичної з ним поверхнею твердого тіла. При розрахунку тепловіддачі використовується закон Ньютона-Рихмана:
,
де tpov - температура поверхні, з якої відбувається теплообмін, tsr - температура потоку. У завданнях конвективного теплообміну коефіцієнт тепловіддачі α є шуканої величиною. Експериментально він може бути визначений як щільність теплового потоку на кордоні поверхню-середовище, віднесена до різниці їх температур.
Конвекція можлива вільна (природна) або вимушена. Вільна конвекція виникає в результаті неоднорідного розподілу щільності в обсязі середовища, що знаходиться в зовнішньому гравітаційному полі. Вимушена конвекція виникає під дією зовнішніх сил, прикладених на кордонах об'єму рідини або газу, за рахунок попередньо повідомленої кінетичної енергії (насос, вітер, вентилятор).
2. Фізичні властивості середовища (рідини або газу).
Процес конвективного теплообміну істотно залежить від фізичних властивостей середовища, що рухається. Крім відомих вже нам теплофізичних характеристик середовища
(С, λ, ρ. А). важливу роль при переміщенні середовища грає її коефіцієнт в'язкості μ. Властивістю в'язкості мають всі реальні середовища. Вводиться коефіцієнт в'язкості наступним чином. Було відмічено, що між прилеглими один до одного шарами рідини, що рухаються з різними швидкостями, виникає сила внутрішнього тертя, що протидіє руху. Відповідно до закону Ньютона, ця сила, віднесена до одиниці поверхні, пропорційна градієнту швидкості в напрямку нормалі до напрямку руху:
ν = μ / ρ. Легко визначити розмірності цих коефіцієнтів:
║μ ║ = кг / (м * с) = Н * с / м 2 = Па * с; ║ν ║ = м 2 / с. Коефіцієнти в'язкості можуть залежати від температури.
3. Диференціальні рівняння конвективного теплообміну.
При розгляді течій у відкритих системах процес перенесення тепла зазвичай вважається Ізобаричний. Тому кількість тепла, переноситься середовищем, зазвичай пов'язують з перенесенням ентальпії. Якщо в середовищі виділити деяку площину, то в результаті конвекції за час dτ через неї буде переноситися кількість тепла Q1-2 = dmh1-2 = ρwdτЅh1-2. Тоді щільність теплового потоку, пов'язана з конвекцією, буде дорівнює ρwh1-2. а щільність теплового потоку, пов'язана з теплопровідністю, дорівнює -λgradt. У векторній формі щільність теплового потоку при конвективному теплообміні може бути записана як:
Для визначення коефіцієнта тепловіддачі і знаходження температурного поля використовується система рівнянь конвективного теплообміну, яка складається з наступних рівнянь:
рівняння руху середовища (в декартовій системі координат - їх проекції на осі х, у, z);
рівняння тепловіддачі на кордоні твердого тіла і рідини.
3.1. рівняння безперервності
Це рівняння випливає із закону збереження маси, який можна сформулювати наступним чином:
швидкість швидкість швидкість
накопичення = приходу - відходу
маси маси маси
Щоб отримати математичне вираження цього закону, потрібно в декартовій системі координат виділити елементарний об'єм середовища в вигляді куба з ребрами dx, dy, dz і розглянути потік маси через кожну грань. Якщо потік рухається зі швидкістю w. то в напрямку х через грань dydz за час dτ втікає маса середовища. Через протилежну грань тієї ж площі випливає маса. Різниця цих мас становить надлишок (накопичення) маси в виділеному елементарному обсязі за счетх - складової потоку: Аналогічне розгляд потрібно провести дляy- і z- складових потоку. Тоді в сумі це і складе швидкість накопичення маси в елементарному обсязі dV:
Вираз у фігурних дужках представляє собою дивергенцію (ρw). Тому остаточно рівняння безперервності (або суцільності) записується у вигляді:
У разі постійної щільності рівняння (2) перетвориться в
Рівняння (3) - це рівняння безперервності для нестисливої рідини.