Тепловая конвекция в жидкости

ТЕПЛОВАЯ КОНВЕКЦИЯ В ЖИДКОСТИ [c.76]

Будем рассматривать задачу <о свободной тепловой конвекции несжимаемой жидкости в цилиндрической полости, длина которой значительно больше, чем его диаметр. Уравнение теплопроводности в жидкости в приближениях ламинарного пограничного слоя можно привести к виду [c.235]

В этой главе излагаются общие положения теории конвективной устойчивости, на основе которых в последующих главах проводится решение конкретных задач. Сначала приводятся общие уравнения, описывающие тепловую конвекцию несжимаемой жидкости, и обсуждаются приближения Буссинеска, лежащие в основе этих уравнений. Далее формулируются условия механического равновесия неравномерно нагретой жидкости. В третьем параграфе содержится постановка задачи об устойчивости равновесия подогреваемой жидкости относительно малых нормальных возмущений, формулируется краевая задача для амплитуд и выясняются некоторые общие свойства спектра возмущений. В последнем параграфе этой главы речь идет о нахождении критических (нейтральных) возмущений и критических значений числа Рэлея, определяющих границы устойчивости равновесия. Здесь же обсуждаются варианты метода Бубнова — Галеркина, позволяющего эффективно решать краевые задачи для характеристических возмущений [c.7]

Что касается непредсказуемости эволюции реальных физических систем, то проведенное нами обсуждение отображений и хаоса многим читателям может показаться неубедительным. И если бы не нижеследующий пример из области механики жидкостей, связь между отображениями, хаосом и дифференциальными уравнениями, описывающими физические системы, могла бы до сих пор не выйти за рамки математических журналов. В 1963 г. специалист по физике атмосферы по имени Э.Н. Лоренц из Массачусетсского технологического института предложил простую модель тепловой конвекции в атмосфере . Жидкость, подогреваемая снизу, становится легче и всплывает, а более тяжелая жидкость опускается под действием гравитации. Такие движения часто организуются в конвективные валики, подобные движениям жидкости в трехмерном торе, показанном на рис. 1.23. В математической модели конвекции, которую предложил Лоренц, используются три переменные (х, у, г), описывающие состояния системы. Переменная х пропорциональна амплитуде скорости, с которой жидкость циркулирует в жидком кольце, а переменные у и г отражают распределение температуры по кольцу. Так называемые уравнения Лоренца можно формально получить из уравнения Навье — Стокса, уравнения в частных производных механики жидкости (см., например, гл. 3). В безразмерном виде уравнения Лоренца записываются следующим образом [c.40]

Рис. 3.38. Тепловая конвекция в вертикальной одномерной замкнутой трубке с жидкостью — это модель термосифона.

Гл. 9 посвящена теории пространственных диссипативных структур. Ее основой служит уравнение Гинзбурга—Ландау. В качестве иллюстрации рассматривается процесс возникновения ячеек Бенара при тепловой конвекции в несжимаемой жидкости. [c.12]

Тепловая конвекция в полости, вращающейся в поле силы тяжести, к настоящему времени достаточно подробно исследована для случаев, когда ось вращения направлена вертикально [1, 2]. При произвольном в том числе горизонтальном положении оси вращения конвекция изучена слабо. Можно указать лишь теоретические работы [3,4], в которых вращение осуществлялось вокруг горизонтальной оси, находящейся в плоскости слоя жидкости со свободными границами. [c.12]

Довольно часто приходится рассчитывать теплообмен естественной конвекцией в узких глухих каналах. Типичный пример — перенос теплоты между оконными стеклами. Среднюю плотность теплового потока q между поверхностями, разделенными прослойкой газа или жидкости толщиной б, можно рассчитывать, как в случае переноса теплоты теплопроводностью через плоскую стенку [c.86]

В жидкостях теплота передается конвекцией и теплопроводностью в газах — в основном конвекцией и радиацией в вакууме — только радиацией. Закон теплопроводности устанавливает количественную связь между теплопроводностью металла, градиентом температуры и тепловым потоком в твердом теле. [c.143]

Жидкость может находиться в механическом равновесии (т. е. в ней может отсутствовать макроскопическое движение), не находясь при этом в тепловом равновесии. Уравнение (3,1), являющееся условием механического равновесия, мол<ет быть удовлетворено и при непостоянной температуре в жидкости. При этом, однако, возникает вопрос о том, будет ли такое равновесие устойчивым. Оказывается, что равновесие будет устойчивым лишь при выполнении определенного условия. Если это условие не выполняется, то равновесие неустойчиво, что приводит к появлению в жидкости беспорядочных течений, стремящихся перемешать жидкость так, чтобы в ней установилась постоянная температура. Такое движение носит название конвекции. Условие устойчивости механического равновесия является, другими словами, условием отсутствия конвекции. Оно может быть выведено следующим образом. [c.22]

В переходной зоне тепловой поток от стенки к жидкости передается как относительно малоэффективным механизмом — естественной конвекцией в однофазной среде, так и более мощным механизмам переноса непосредственно в форме теплоты испарения. [c.192]

Процесс кипения щелочных металлов, как показывают опытные данные, также характеризуется некоторыми особенностями. При низких давлениях насыщенных паров (ниже 0,3-10 Па) обычно наблюдается неустойчивый режим кипения парообразование происходит нерегулярно, отдельными всплесками, в промежутке между которыми жидкость перегревается. При высоких тепловых потоках перегрев жидкости около поверхности нагрева может быть значительным, достигая десятков и сотен градусов. При вскипании перегрев быстро снижается это вызывает интенсивные колебания температур во всей системе. Неустойчивое кипение металла часто сопровождается также звуковыми эффектами стуком, щелчками, треском и т. д. В целом интенсивность теплообмена при неустойчивом кипении оказывается несколько более высокой, чем при свободной конвекции без кипения [57]. [c.298]

Классическое рассмотрение задач свободной конвекции основано на решении задач первого случая, т. е. задач, когда тело располагается в жидкости бесконечного объема. Движение жидкости наблюдается только у поверхности тела. Изменение полей скоростей и температур сосредоточено у поверхности в очень тонких пограничных слоях. Поэтому аналитические задачи решаются для пограничных слоев. Соотношение между размерами теплового и динамического пограничных слоев определяется числом Прандтля. При Рг = 1 в ламинарном пограничном слое 6т = б, а при Рг > 1 < б. При рассмотрении задач свободной конвекции толщину динамического пограничного слоя необходимо определять с учетом массовых сил. [c.144]

С другой стороны, температурное поле вызывает нарушение однородности физических свойств среды. В областях с более высокой температурой плотность среды вследствие теплового расширения уменьшается и получается неустойчивое распределение плотности. Элементы жидкости приходят в движение, обусловленное температурным полем. Если жидкость (газ) не подвергается какому-либо внешнему механическому воздействию, побуждающему ее к движению (например, воздействию насоса), то единственным источником движения среды в этом случае оказывается процесс теплообмена. Такое движение жидкости или газа называется свободной конвекцией, в отличие от вынужденной конвекции, когда движение среды обусловливается внешним механическим воздействием. [c.24]

Рассмотрим свободную конвекцию в условиях, когда размеры тела, нарушающего тепловое равновесие, малы по сравнению с объемом окружающей его жидкости. В этом случае область теплового и гидродинамического возмущения локализуется около рассматриваемого тела. Вне этого пограничного слоя жидкость можно считать неподвижной. [c.280]

При умеренных давлениях (y > Y") и свободной конвекции жидкости, когда ее движение полностью определяется движением пара, введение подобного упрощения задачи представляется вполне допустимым. Следовательно, и интеграл этой системы уравнений относительно величины второй критической плотности теплового потока в условиях свободной конвекции жидкости и независимости процесса от размера поверхности нагрева имеет вид, тождественный, формуле (18.8). При этом вследствие различия в начальной структуре двухфазного граничного слоя значение константы будет отличным от значения ki. [c.375]

При значительных температурных напорах на величину а влияют изменение физических характеристик жидкости (в первую очередь вязкости) по сечению канала и накладывающаяся на основной поток свободная тепловая конвекция. [c.98]

Величина критической плотности теплового потока в условиях свободной конвекции, согласно (10.5) и (10. 6), определяется только физическими свойствами жидкости и линейными размерами системы, т. е. комплекс [c.109]

Следовательно, и интеграл этой системы уравнений относительно величины второй критической плотности теплового потока, в условиях свободной конвекции жидкости и независимости процесса от размера поверхности нагрева, имеет вид, тождественный формуле (10.14). При этом, вследствие различия в начальной структуре двухфазного граничного слоя, значение константы будет отличным от значения kj. [c.117]

Как видно из изложенного, исходными данными для определения критических плотностей теплового потока в кипящей жидкости являются условия конвекции. Соответствующие расчетные формулы имеют вид [c.126]

При кипении жидкости основной поток тепла от поверхности нагрева передается жидкой фазе, так как она обладает значительно большей теплопроводностью, чем паровая фаза. Поэтому, как и в случае конвекции однофазной жидкости, основным тепловым сопротивлением при кипении является тепловое сопротивление пограничного слоя жидкости. Однако периодический отрыв паровых пузырьков от стенки и их всплывание вызывают сильное движение, турбулизацию жидкости, разрушающую пограничный слой, что приводит к значительному увеличению интенсивности теплоотдачи по сравнению с конвекцией однофазной жидкости. Большой эффект увеличения теплоотдачи за счет парообразования в пограничном слое жидкости обусловлен тем, что при кипении разрушение пограничного слоя исходит непосредственно от поверхности нагрева, на которой зарождаются паровые пузырьки. Поэтому турбулизирую-щее влияние паровых пузырьков охватывает весь пограничный слой и далее распространяется на ядро потока. При конвекции однофазной жидкости также может иметь место турбулизация пограничного слоя жидкости. В этом случае она возникает за счет турбулентных пульсаций жидкости, которые возрастают с увеличением скорости ее движения. Но эти возмущения идут в обратном направлении, т. е. из ядра потока к стенке, и полностью на. всю толщину пограничного слоя из-за вязкости жидкости не распространяются. При любой скорости движения на поверхности сохраняется тонкий [c.225]

Замечательный численный эксперимент, несомненно, заслуживающий повторения, содержится в оригинальной работе Лоренца [115]. Лоренц упростил уравнения, выведенные Зальцманом [167] на основе уравнений тепловой конвекции в жидкости (см. гл. 3). Приоритет в открытии непериодических рещений уравнений конвекции, по признанию Лоренца, принадлежит Зальцману. Для исследования хаотических движений Лоренц выбрал ставщие ныне классическими значения параметров а = 10, > = 8/3, г = 28 в уравнениях [c.278]

Ряд опытов на воде проводился при низких значениях скорости, когда числа Re были ниже критического. При таких числах Re полностью исчезают турбулентные пульсации температуры. Однако в центральной части потока продолжают происходить слабые колебания температуры очень низкой частоты. Такие колебания температуры можно объяснить влиянием естественной конвекции в жидкости, при увеличении тепловой нагрузки они возрастают. Колебания температуры отсутствуют в достаточно широкой пристенной области и в стенке трубы. С возрастанием скорости при достижении числа Re 2 300 начинают появляться турбулентные пульсации температуры с малой частотой и амплитудой. При более высоких числах НеягШ пульсации принимают вид, характерный для развитого турбулентного потока. Изменение средней частоты пульсаций температуры в потоке жидкости и в стенке трубы три возрастании чисел Re приведено на рис. 9. Средняя частота пульсаций резко возрастает от нулевых значений при [c.327]

Изучается тепловая конвекция в столбе воздуха, совершающем высокочастотные колебания в плоском канале с изотермическими границами различной температуры. Исследования проводятся при различной ориентации канала в широком интервале определяющих безразмерных критериев гравитационного числа Рэлея и термоосцилляционного параметра. Последний, как следует из экспериментов, характеризует осредненное воздействие высокочастотных осцилляций на неизотермическую несжимаемую жидкость в случае относительно больших амплитуд. Определены области доминирующего влияния термоосцилляционного и гравитационного механизмов тепловой конвекции. Найден порог возбуждения термоосцилляционной конвекции в условиях невесомости. [c.21]

Если горизонтальный слой жидкости сильно подогреть снизу, то между нижней и верхней поверхностями возникает разность температур A7 =7 i —7 2>0. При малой разности температур ДГ<АГ р ниже некоторого критическою значения АГ р, подводимое снизу количество теплоты распространяется вверх путем теплопроводности и жидкость остается неподвижной. Однако при разности температур выше критической АТ>А7 р в жидкости начинается конвекция холодная жидкость опускается вниз, а нагретая поднимается вверх. Распределение этих двух противоположно направленных потоков оказывается самоорганизованным (рис. 48), в результате чего возникает система правильных шестиугольных ячеек (рис. 49). По краям каждой такой ячейки жидкость опускается вниз, а в центре поднимается вверх. Зависимость полного теплового потока I в единицу времени от нижней поверхности к верхней от разности температур АТ изображена на рис. 50. При АТ>АТ р состояние неподвижной теплопроводящей жидкости становится неустойчивым (пунктирная линия на рис. 50) и вместо него наступает устойчивый режим в виде конвекционных ячеек Бенара. Обусловливается это тем, что при большой разности температур покоящаяся жидкость уже не обеспечивает перенос возросшего количества теплоты, и поэтому устанавливается новый конвекционный режим. [c.284]

При кипении жидкости осиевиой поток тепла от поверхности нагрева передается жидкой фазе, так как она обладает значительно большей теплопроводностью, чем паровая. Поэтому, как н в случае конвекции однофазной жидкости, основным тепловым сопротивлением при кипении является теп повое сопротивление пограничного слоя жидкости. Однако периодический отрыв паровых пузырьков от [c.296]

Влияние теплофизических свойств и размеров теплоотдающей поверхности связывают с пульсациями ее температуры в процессе кипения. В период роста пузыря температура элемента поверхности, находящегося под пузырем, понижается вследствие интенсивного отвода теплоты испаряющейся жидкой пленкой. Под действпем разности термических потенциалов к центру парообразования ат прилегающей к нему массы материала подводится теплопроводностью дополнтс-тельпый тепловой поток, который препятствует понижению температуры стенки под растущим пузырем и тем самым способствует поддержанию условий, необходимых для интенсивного испарения микропленки. Плотность локального теплового потока, отводимого пленкой в форме теплоты испарения, значительно превышает среднюю по поверхности плотность теплового потока, и тем более она выше плотности теплового потока, отводимого конвекцией от части поверхности, не занятой паровыми пузырями. Назовем эту часть поверхности конвективной. Вследствие оттока теплоты к центрам парообразования температура конвективной части поверхности также понижается, и если бы от последней тепловой поток передавался жидкости в условиях естественной конвекции, то с понижением температуры стенки коэффициент теплоотдачи здесь уменьшался бы. В условиях сильной турбулизации пристенной области паровыми пузырями понижение температуры конвективной части поверхности приводит лишь к уменьшению передаваемого от нее жидкости теплового потока. Если материал теплоотдающей поверхности обладает высокой теплопроводностью, то это облегчает приток теплоты к центрам парообразования, в результате чего поддерживается высокая интенсивность теплообмена. В противном случае при прочих равных условиях коэффициент теплоотдачи меньше. Основываясь на теории нестационарной теплопроводности, Якоб [224] пришел к выводу, что интенсивность теплообмена при кипении пропорциональна величине для теплоот дающей поверхности, [c.201]

Изложенная выше разработанная авторами [32] физическая модель, призванная объяснить влияние теплофизических свойств и толщины греющей стенки на теплоотдачу при кипении, на практике реализуется только в определенных условиях и в основном при кипении криогенных жидкостей. Как известно, криогенные жидкости отличаются от обычных жидкостей чрезвычайно высокой способностью смачивать твердые тела (для них краевой угол 6- -0). Обладая почти абсолютной смачиваемостью, они легко заполняют микровпадины даже очень малых размеров, в результате чего такие впадины теряют способность генерировать паровую фазу н поверхность обедняется активными центрами парообразования. Под влиянием этого фактора в переходной области от естественной конвекции в однофазной среде к развитому пузырьковому кипению зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока становится болеа значительной (показатель степени п. в уравнении достигает значений [c.201]

При вынужденном течении однофазного потока в условиях турбулентного режима интенсивность теплообмена существенно выше, чем при естественной конвекции, поэтому в этом случае влияние процесса парообразования а коэффициент теплоотдачи наблюдается яри более 1Высоких температурах ядра потока. Следовательно, при одной и той же плотности теплового потока в условиях вынужденного движения значение предельного недогрева жидкости меньше, чем в условиях естественной конвекции.. Скорость жидкости оказывает существенное влияние на температуру i .K. [c.260]

Наоборот, зная, что осаждение частиц из столба жидкости высотой к закончилось за время т, мон но заключить, что скорость падения частиц наименьшего радиуса, присутствующих в данном порошке, равна /г/т. Определив скорость, можно из формулы Стокса найти и радиус соответствующих частиц. Закон Стокса позволяет узнавать радиус даже самых малых частиц, р)азмеры которых невозможно определить непосредственно под микроскопом. Недостатком методов статического седпмеитационного анализа является возможность возникновения ошибок из-за потоков жидкости, вызываемых случайными разностями температур (тепловая конвекция). Эти ошибки особенно велики и трудно устранимы при статическом седимента-ционном анализе аэрозолей, т. е. систем, образованных частицами, взвешенными в воздухе (или в других газах). Для этого случая, однако, автор предложил поточный метод седиментационного анализа, в котором не только устранено влияние конвекции, но и резко сокращено затрачиваемое на определение время. [c.34]

В зависимости от плотности теплового потока и ряда других факторов на поверхности нагрева образуются или отдельные паровые пузыри, или сплошной слой пленки пара, и кипение называется пузырьковым или пленочным. Кроме того, кипение различается по типу конвекции (кипение при свободной конвекции в большом объеме и кипение при в-ынужденной конвекции) и по отношению средней температуры жидкости Т к температуре насыщения (кипение жидкости недогретой до температуры насыщения, — поверхностное кипение при Т < и кипение жидкости, догретой до температуры насыщения при Т Ts). [c.61]

При пузырчатом кипении жидкости в условиях естественной конвекции различают область малых тепловых нагрузок (( т. е. меньших предельной) и область развитого пузырчатого кипения (д р < (7 < q p)- В области значений q < q p интенсивность теплообмена в основном определяется естественной конвекцией однофазной жидкости, и величина а при кипении в большом объеме может быть рассчит..на по формуле (27). [c.224]

При вынужденном течении кипящей жидкости в трубах наблюдаются две предельные закономерости (рис. 6-8). При малых тепловых нагрузках вынужденное течение подавляет кипение, так что для вычисления коэффициентов 7. применимы обычные >от2>и формулы однофазной конвекции в [c.170]

Ухудшение режима отвода тепла с поверхности тепловыделяющих элементов, вызванное образованием паровой пленки, приводит к резкому повышению температуры стенки, вплоть до возможности ее пережога. По опытным данным [Л. 3], критические тепловые нагрузки (<7кр) для даутерма при естественной конвекции в большом объеме и при постоянном давлении увеличиваются с возрастанием недогрева жидкости до температуры насыщения [c.187]

Выделение газа в жидкости существенно повышает коэффициент теплообмена при естественной и вынужденной конвекции жидкости. Интенсивность теплообмена повышается с увеличением газосодержанпя, что совершенно отчетливо проявляется для органических жидкостей, в которых растворимость газа примерно в 10 раз больше, чем в воде. При постоянном тепловом потоке теплообмен может быть улучшен на 50% в условиях естественной конвекции и на 30% в условиях вынужденной конвекции жидкости. Потери давления при движении жидкости не зависят от присутствия газа до тех пор, пока не возникнет зона парообразования, т. е. пока температура стенки не станет равной температуре насыщения обезгаженной жидкости. Таким образом, в присутствии растворенного газа в теплоносителе можно отбирать большее количество тепла без увеличения потерь давления до тех пор, нока температура стенки ниже температуры насыщения обезгаженной жидкости. [c.124]

Очень многие технические материалы, в частности технические теплоизоляторы, огромное большинство строительных материалов, а также порошкообразные материалы, грунты, почвы и т. д., отнюдь не являются твердыми телами в собственном смысле, который мы придавали этому слову в теории и в двух предыдущих параграфах этой главы, а представляют собою системы из очень большого числа твердых частиц, отделенных друг от друга порами, которые заполнены газом (чаще всего воздухом) или жидкостью. Передача тепловой энергии в материалах этого рода слагается из передачи тепла теплопроводностью через твердый порообразующий скелет, теплопроводностью и конвекцией через поры и излучением между стенками пор. [c.160]

Введем в уравненяе движения пара подъемную силу, возникающую вследствие разности объемных весов фаз. Для этого, аналогично известному решению для свободной тепловой конвекции [32], представим силу давления в паровой фазе в виде суммы статического давления в жидкости и динамической составляющей [c.107]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...