2.1.1. Основные положения

Перенос тепла конвекцией имеет место в жидких и газообразных средах, а также между последними и поверхностью твердых тел. Различают естественнуюивынужденнуюконвекцию, что связано с особенностями движения самой среды (жидкости, газа). Свободное движение среды (естественная конвекция) происходит вследствие разности плотностей холодных и нагретых слоев жидкости. Вынужденное движение среды (вынужденная конвекция) создается специальными насосами, вентиляторами. В дальнейшем жидкость и газообразные среды будут называться одним термином - жидкость.

Количество тепла, передаваемого конвекцией, существенно зависит от режима течения жидкости. Различают два основных режима: ламинарный (на рис. 2.1.1 участок 1 - 3) и турбулентный (участок 3 - 4). Рис. 2.1.1 иллюстрирует особенности контакта жидкости с нагретой вертикальной поверхностью при естественной конвекции в неограниченном пространстве. Пример нужен для того, чтобы обосновать терминологические отличия, встречающиеся в данной работе от определений в других работах.

По определению [10], ламинарное течение- упорядоченное течение жидкости илигаза, при котором жидкость (газ) перемещается как бы слоями, параллельными направлению течения.Ламинарное течениенаблюдаются или у очень вязких жидкостей, или при течениях, происходящих с достаточно малыми скоростями, или, наконец, при обтекании жидкостью тел малых размеров. В частности, ламинарное течение имеет место в тонком пограничном слое, который образуется вблизи поверхности тел при обтекании их жидкостьюили газом. С увеличением скорости движения ламинарное течение данной жидкости может в некоторый момент перейти в неупорядоченное турбулентное течение. При этом возрастает сопротивление движению, вызываемое трением жидкости об обтекаемую поверхность.

Турбулентное течение сопровождается интенсивным перемешиванием слоев жидкости, за счет чего в контакт с нагретой поверхностью вступает большая масса жидкости.

На участке 1 - 2 приграничный слой малой толщины прогревается за счет теплопроводности жидкости, по мере прогрева его толщина увеличивается, соответственно, увеличивается и скорость перемещения жидкости. Характерным является то, что на этом участке будет только поступательное движение жидкости. На границе этого участка отдельные слои жидкости начинают отрываться от вертикальной поверхности.

Участок 2 - 3 характерен тем, что течение жидкости будет локонообразным, отдельные струи жидкости, оторвавшись от поверхности, продолжают поступательное движение вдоль поверхности, на место отрыва поступают более холодные соседние слои жидкости. Приграничный слой постепенно прогревается, на заключительном этапе этого участка начинается неупорядоченное турбулентное движение жидкости. Участок 1 - 3 на рис. 2.1.1 в целом попадает под определение ламинарного течения жидкости, но наличие перемешивания отдельных слоев жидкости на участке 2 – 3 вызывает и отличие физико-математического описания этих процессов от соответствующего описания участка 1 - 2.

В дальнейшем терминология отмеченных процессов будет учитывать наличие и интенсивность перемешивания слоев жидкости. При ламинарномрежиме движения жидкости (участок 1 - 2) будет только поступательное движение жидкости, скорость перемещения будет незначительной.Переходныйрежим (участок 2 - 3) характеризуется наличием перемешивания жидкости, движение всех слоев жидкости будет направлено вдоль поверхности.Турбулентныйрежим (участок 3 - 4) характеризуется интенсивным неупорядоченным перемешиванием слоев жидкости. Образование вихрей будет наблюдаться равномерно по всей поверхности этого участка. Диаметр вихрей для воздуха имеет величину нескольких миллиметров.

Интенсивность теплообмена конвекцией характеризуется коэффициентом теплоотдачи , который представляет собой количество тепла, отдаваемого с единицы поверхности тела в единицу времени при разности температур между поверхностью и средой в один градус. Его размерность .

При конвективном теплообмене тела с окружающей средой у поверхности тела формируется тепловой пограничный слой, в пределах которого температура среды (жидкости, газа) изменяется от значения, равного температуре поверхности , до температуры окружающей средывдали от этой поверхности. Толщина этого пограничного слоязависит как от теплофизических свойств среды, так и от режима течения жидкости в пограничном слое, и выражается формулой .