Понятие о пограничном слое в жидкости при теплоотдаче

Прежде чем приступить к методике определения коэффициента , установим связь между конвективным теплообменом и движением жидкости.

Следует отметить, что в зависимости от характера движения жидкости различают ламинарный и турбулентный режим ее течения.

Ламинарный (от латинского слова lamina — полоска) — это такой режим, при котором отсутствует перемешивание слоев жидкости в перпендикулярном направлении к вектору скорости ее движения.

Турбулентный (от латинского слова turbulentus — беспорядочный) — это хаотический режим течения жидкости, при котором происходит ее перемешивание во всех направлениях.

Рассмотрим профили скоростей жидкости при движении её в трубопроводе. Рассмотрим два режима течения, представленные на рис. 11.2, а, б. В случае ламинарного течения профиль скорости имеет параболический вид. При этом скорость на оси трубы (в ядре потока) в два раза превышает среднюю скорость потока. При турбулентном течении профиль скоростей в ядре потока становится более пологим и значение скорости в ядре потока только на 20—30% выше средней скорости.

Wж=(1,2÷1,3)Wср

Wж=2 Wср

W(r)

W(r)

б)

а)

Рис. 11.2. Профили скоростей при а) ламинарном и б) турбулентном течениях в трубе

Рассмотрим течение жидкости вдоль плоской пластины, условно представленной на рис. 11.3.

Известно, что частицы жидкости, непосредственно соприкасающиеся с поверхностью, как бы прилипают к ней и имеют нулевую скорость. Как было показано на рис 11.2, слои, близлежащие к поверхности, за счет сил вязкости больше тормозятся. Слой, для которого выполнено условие , называется гидродинамическим слоем. Расстояние, на котором скорость достигает значения , называется толщиной пограничного слоя.

Различают три режима течения жидкости в пограничном слое. Сначала это течение является полностью ламинарным. По мере движения толщина пограничного слоя возрастает с увеличением расстояния от передней кромки и при некотором значении x наблюдается преобладание сил инерции над силами вязкого трения, которые до сих пор сглаживали возмущения в потоке. И после небольшой зоны переходного режима ламинарное течение полностью переходит в турбулентное.

Рис. 11.3. Ламинарный, переходный и турбулентный режимы течения в пограничном слое при обтекании плоской пластины

Рассмотрим, как меняется коэффициент теплоотдачи в пограничном слое.

Нетрудно догадаться, что при ламинарном режиме единственным механизмом передачи тепла является теплопроводность. При этом согласно закону Фурье:

Таким образом, коэффициент теплоотдачи . Вот почему с ростом толщины слоя в зоне ламинарного режиме коэффициент α уменьшается.

В переходной зоне общая толщина слоя продолжает возрастать, но при этом уменьшается толщина ламинарного подслоя. Таким образом, теплота начинает переноситься не только теплопроводностью, но и конвекцией, причем тем интенсивней, чем больше турбулизируется поток. Вот почему в этой зоне коэффициент возрастает.