Как жидкость или газ передает тепло твердой поверхности

На самом деле, большинство инженеров, работающих над такими системами, знают о существовании этого длинного переходного участка, даже если о нем не сказано в учебниках для студентов. Теперь, уточняя характеристики и количественно оценивая переход рабочей среды, это исследование поможет привести теорию и преподавание в соответствие с реальной инженерной практикой

Будь то вода, протекающая через пластины конденсатора на промышленном предприятии, или воздух, проникающий через каналы нагрева и охлаждения, поток жидкости или газа через плоские поверхности - явление, лежащее в основе многих процессов современной жизни. Тем не менее, новый анализ показывает, что некоторые аспекты этого явления до сих пор плохо изучены, а некоторые из них неправильно преподаются целым поколениям студентов - будущих инженеров.

Новое исследование, результаты которого размещены в материалах Journal of Heat Transfer, охватывает несколько десятилетий исследований и анализа потоков рабочих сред. Обнаружено, что в большинстве учебников по теплообмену горячие и холодные потоки представлены двумя разными зонами, разделенными резким переходом. Однако, как утверждают исследователи, на самом деле надо говорить о трех разных зонах и, что протяженный переходный участок имеет не меньшее значение, чем первая и последняя области.

Это несоответствие связано со сдвигом между двумя различными направлениями, по которым жидкость или газ перемещаются. Когда вода или воздух проходят вдоль твердой плоской поверхности, образуется тонкий пограничный слой. Внутри этого слоя участок, ближайший к поверхности, практически не движется под воздействием силы трения, участок чуть выше, перемещается немного быстрее, и так далее, пока не достигнет точки, где движение происходит с полной скоростью, соответствующей исходному потоку. Это устойчивое, постепенное увеличение скорости через тонкий пограничный слой называется ламинарным потоком. За этой областью поток меняется, распадаясь на хаотические вихри, известные как турбулентные потоки.

Свойства этого пограничного слоя определяют, насколько хорошо жидкость или газ может передавать тепло, что является ключевым фактором для многих процессов охлаждения, использующихся в таких устройствах, как высокопроизводительные компьютеры, опреснительные установки или конденсаторы электростанций.

Студентов учат рассчитывать характеристики потоков жидкостей или газов, как если бы произошел внезапный переход от ламинарного состояния к турбулентному. Однако, после проведения тщательного анализа опубликованных в разное время экспериментальных данных, было обнаружено, что эта картина игнорирует важную часть процесса.

Обзор данных теплообмена указывает на значительный промежуток между ламинарным и турбулентным потоками. Сопротивление этой переходной зоны движению теплового потока постепенно изменяется, и она такая же длинная и отчетливая, как и предшествующий участок ламинарного потока.

Полученные результаты будут иметь значение для всего: от конструкции теплообменников для обессоливания или других процессов промышленного масштаба до понимания свойств потоков газа через реактивные двигатели.

На самом деле, большинство инженеров, работающих над такими системами, знают о существовании этого длинного переходного участка, даже если о нем не сказано в учебниках для студентов. Теперь, уточняя характеристики и количественно оценивая переход рабочей среды, это исследование поможет привести теорию и преподавание в соответствие с реальной инженерной практикой. «Понятие резкого перехода укоренилось в учебниках по теплопередаче в течение последних 60 или 70 лет», - говорит автор исследования.

Базовые формулы для понимания движения жидкости или газа вдоль плоской поверхности являются фундаментальной основой для понимания всех более сложных ситуаций, таких как определение характеристик воздушного потока над изогнутым крылом самолета или лопастью турбины, или для охлаждения космических аппаратов, когда они проходят сквозь земную атмосферу. «Плоская поверхность является отправной точкой для понимания того, как работает любая из этих вещей».

Теория плоских поверхностей была изложена немецким исследователем Эрнстом Полхаузеном в 1921 году. Но даже в этом случае «лабораторные эксперименты обычно не соответствовали граничным условиям, принятым теорией. Лабораторная пластинка может иметь закругленный край или неоднородную температуру, поэтому исследователи в 1940-х, 50-х и 60-х годах часто «корректировали» свои данные, чтобы они согласовывались с этой теорией». Расхождения приводили к острым разногласиям в различной литературе среди специалистов по теплопередаче.

Автор обнаружил, что исследователи из британского Министерства авиации выявили и частично решили проблему неоднородных температур поверхности еще в 1931 году. «Но они не смогли полностью решить уравнение, которое получили». «Необходимо было дождаться, когда, начиная с 1949 года, стали появляться электронные вычислительные машины». Между тем споры между специалистами продолжались.

Автор решил взглянуть на экспериментальную основу изучаемых уравнений, понимая, что исследователи на протяжении десятилетий знали, что переход между средами играет значительную роль. «Хотелось с помощью этих уравнений вывести конкретные данные, чтобы можно было видеть, работают они или не работают». «Были изучены экспериментальные данные вплоть до 1930 года. Их сбор дал четкое понимание следующего: то, что преподавалось до этого, было ужасно упрощено». А несоответствие в описании потока жидкости приводило к тому, что расчеты теплообмена не включали в студенческую практику.

Теперь, благодаря новому анализу, инженеры и студенты смогут точно рассчитать температуру и характеристики теплового потока жидкости или газа в очень широком диапазоне различных условий.

Источник: Дэвид Л. Чендлер | MIT News Office

https://doi.org/10.1115/1.4046795