microbik.ru
1
61. Вынужденная конвекция в неограниченном пространстве.
Вынужденная конвекция обусловлена принудительным движением газа относительно нагретого тела. Определим αк при вынужденной конвекции. Расчет сводится к определению режима движения газа и критерия Нуссельта (Nu).

Режим движения жидкости (газа) зависит от критерия Рейнольдса: для ламинарного потока — Re < 2200, для переходного —2200 Re104 , для вихревого — Re104 . Ввиду того что переходный режим соответствует относительно малой области значений числа Рейнольдса, расчеты теплообмена при вынужденной конвекции проводят для двух режимов: ламинарного и вихревого. Переход от ламинарного режима к вихревому определяют по значению критического числа ReKp = 5·10-5.

Скорость принудительного движения жидкости (газа), от которой зависит число Re, находят через объемный расход жидкости (газа) Gv в системе охлаждения и площадь среднего сечения потока Aср: V=Gv/Aср (2)

Для систем принудительного воздушного охлаждения в качестве параметра Aср выступает средняя площадь сечения воздушного канала, для жидкостного принудительного охлаждения — площадь сечения трубы.

В схеме расчета α к при вынужденной конвекции критерий Nu вычисляется через критерий Re. Однако подход к определению критерия Nu зависит как от режима движения жидкости (газа), так и от условий взаимодействия потока и охлаждаемой поверхности. Поэтому выделяют вынужденную конвекцию при внешнем обтекании тел и вынужденную конвекцию в каналах и трубах. В свою очередь, при внешнем обтекании тел рассматривают случаи продольного и поперечного движенийпотока жидкости или газа.

Анализ конвективной теплопередачи при продольном внешнем обтекании тел производится на модели в виде теплоотдающей стенки, ориентированной вдоль потока, движущегося со скоростью v при температуре tf (рис.). Определяющим является размер стенки вдоль потока L.

При ламинарном движении жидкости, когда Rеf<5·105 , выражение для расчета критерия Нуссельта имеет вид Nuf=0,66Ref0.5Prf.0.43(Prf/Prw ) 0.25, где индексы f и w означают, что соответствующие критерии определены для температуры потока и температуры стенки. В выражении влияние физических свойств жидкости и их зависимость от температуры учитываются параметром Prf.0.43 , а влияние направления теплового потока и род жидкости — параметром (Prf/Prw ) 0.25.

Для воздуха в широком диапазоне температур Prf=Prw = 0,7, поэтому формула (5.17) преобразуется к виду

В случае вихревого движения жидкости (Ref≥5·105) расчет критерия Нуссельта производится по формуле Nuf = 0,031Re°'SPr°'43(Prf/Prw)0.25. (1)

Преобразование (1) с учетом приведенного выше условия дает формулу расчета критерия Нуссельта при вихревом движении воздуха: Nuf=0,032Re0.8f

В приближенных расчетах формулы можно использовать для анализа теплообмена цилиндрических поверхностей, омываемых продольным потоком жидкости.

Поперечное движение потока характерно для внешнего обтекания объемных тел различных геометрических форм воздухом. В качестве определяющего размера тела принимается длина обтекания L тела потоком воздуха. Длина обтекания для цилиндра и шара составляет L= 0,5πd, для прямоугольного параллелепипеда — L = a + b (рис.).

При значениях числа Рейнольдса 10 < Re < 105 , приближенное выражение для расчета критерия Нуссельта может быть записано в виде

Формула применяется при расчете конвективного коэффициента теплообмена тел, находящихся в замкнутом пространстве и омываемых поперечным потоком воздуха. Определяющий размер в этом случае находят согласно рис., а скорость движения воздуха относительно поверхности тела определяется по формуле 2.

В конструкциях с неупорядоченным расположением элементов, где Ак – площадь поперечного сечения кожуха конструкции в направлении, перпендикулярным потоку воздуха, Kз – коэффициент заполнения (Kз=Vэл/Vк).

L – это определяющий размер (длина оптекания)



Liдлина обтекания, Si – площадь теплоотвода поверхности элемента.