Переменность физических свойств по сечению потока

При изучении ряда процессов конвективного теплообмена, например процессов, протекающих при больших тепловых потоках и больших скоростях или при течении очень вязких жидкостей, физические параметры нельзя принимать постоянными. В этих случаях температура, но сечению потока изменяется очень резко, и так же резко меняются физические параметры жидкости, что оказывает существенное влияние на коэффициент теплоотдачи. Здесь необходимо учитывать переменность физических свойств по сечению потока.

Чтобы учесть влияние переменности физических параметров на теплообмен, при выводе дифференциальных уравнений конвективного теплообмена значения физических параметров нельзя выносить из-под знака производной. Однако это приведет к изменению и усложнению системы уравнений.

При умеренном диапазоне изменения физических параметров в инженерных расчетах пользуются теми же уравнениями, что и при постоянных физических свойствах, но с введением соответствующих поправок. Так, например, все физические характеристики определяются при температуре потока, а влияние переменности физических свойств учитывается в виде отношения значений вязкости или в виде отношения чисел Прандтля соответственно при температуре потока и стенки. Существуют и другие способы учета зависимости физических параметров от температуры. Теория еще не дала единого способа учета влияния переменности физических свойств на теплоотдачу.

Во многие числа подобия (например, Re, Nu и др.) входит линейная величина /. Ее называют определяющим (или характерным) линейным размером и выбирают в каждом случае в зависимости от изучаемого процесса. Если условиями однозначности заданы несколько линейных размеров, то за определяющий линейный размер принимают тот, от которого в большей степени зависит процесс конвективного теплообмена. Остальные заданные размеры входят в уравнения подобия в виде симплексов (1_{ / /, /₂ / / и т. д.).

При изучении теплообмена для случая поперечного омывания гладких труб в качестве определяющего размера / выбирают наружный диаметр трубы. При течении жидкости в круглых гладких трубах за определяющий размер принимают внутренний диаметр трубы. При изучении движения жидкости и теплообмена в каналах иной формы в качестве определяющего линейного размера берут так называемый эквивалентный (гидравлический d_r) диаметр с1_экв:

где А — площадь поперечного сечения канала; П — периметр сечения, через который происходит передача теплоты.

Метод расчета теплоотдачи с помощью с1_экв является приближенным. Однако во многих случаях такой приближенный расчет дает удовлетворительные результаты (расчет теплоотдачи в каналах прямоугольного и треугольного сечения и при продольном омывании пучка труб в случае турбулентного режима).