Здравствуйте, друзья! При движении жидкости возникают силы трения, особенно значительные вблизи ограничивающих течение поверхностей. Поэтому гидродинамическое взаимодействие жидкости или газа с твердым телом при условии различных скоростей их движения сопровождается образованием на границе раздела (твердая поверхность) слоя среды, движущегося со скоростью, отличной от скорости жидкости (динамический пограничный слой). Его образование всецело определяется силами вязкости.
Если поток обтекает неподвижное тело, то образуется слой заторможенной жидкости. Скорость возрастает по его толщине от нуля (на поверхности тела) до скорости потока (рис. 1).
Толщина δ пограничного слоя обычно мала по сравнению с характерным размером обтекаемого тела или поверхности δ / l <<1.
Если гидродинамическое взаимодействие сопровождается теплообменом между средой и телом, то у его поверхности наблюдается также резкое изменение температуры — тепловой пограничный слой , толщина которого всегда больше толщины динамического пограничного слоя. Согласно опытным данным, разница между ними для струи составляет примерно 30%, для стенки эта разница меньше.
При сушке материала над его поверхностью образуется слой газа, насыщенный водяными парами,— диффузионный пограничный слой . Область течения вязкой теплопроводной жидкости, характеризующаяся малой (по сравнению с продольными размерами) толщиной и большим поперечным градиентом величины, изменением которой обусловлен процесс переноса количества движения, теплоты, вещества, называется пограничным слоем. Градиент любой величины численно равен частной производной рассматриваемой величины по направлению нормали к поверхности одинакового потенциала.
Таким образом, различают динамический, тепловой и диффузионный пограничные слои. Образуются они у поверхности, но толщина их различна. Толщина пограничного слоя — условная величина, определяемая для динамического, теплового или диффузионного пограничных слоев как расстояние по нормали от стенки, на котором основная переменная величина (продольная составляющая скорости, температура или концентрация соответственно) с заданной точностью достигает своего предельного значения вдали от стенки.
Отличаются эти пограничные слои друг от друга тем, что динамический характеризуется большим поперечным градиентом продольной составляющей скорости, тепловой— большим поперечным градиентом температуры, а диффузионный—большим градиентом концентрации водяных паров.
Толщина пограничного слоя, а также режим движения жидкости в нем играют существенную роль в теплообмене тела со средой, так как указанный слой оттесняет среду от поверхности. Между телом и средой образуется как бы промежуточное тело, которое вносит дополнительное термическое сопротивление. Режим движения в самом пограничном слое может быть как ламинарным, так и турбулентным.
Для ламинарного движения характерным является возможность существования стационарных траекторий частиц среды. При турбулентном движении траектория частиц хаотически изменяется во времени, в потоке возникают нерегулярные пульсации скорости, давления и других неравномерно распределенных параметров.
При наличии ламинарного пограничного слоя перенос теплоты через него осуществляется теплопроводностью, а так как жидкости и газы плохо проводят теплоту (коэффициент теплопроводности их невелик), то ламинарный слой является значительным термическим сопротивлением, численное значение которого прямо пропорционально его толщине.
При переходе ламинарного пограничного слоя в турбулентный это сопротивление намного уменьшается, так как перенос теплоты облегчается интенсивным перемешиванием среды внутри самого пограничного слоя. Однако даже при развитом турбулентном пограничном слое под ним всегда имеется прослойка с ламинарным режимом движения (вязкий подслой), который и оказывает в этом случае основное термическое сопротивление.
Толщина δ пограничного слоя зависит от длины тела l вдоль потока и состояния его поверхности (шероховатости), вязкости жидкости υ и скорости потока ω. Взаимосвязь между этими величинами для случая ламинарного пограничного слоя устанавливается следующим соотношением:
Согласно этому выражению, тела небольших размеров при прочих равных условиях будут иметь пограничный слой меньшей толщины, чем крупные тела. Для шара в месте минимального давления на его поверхности толщина ламинарного пограничного слоя будет равна
Уменьшение толщины пограничного слоя и, следовательно, интенсификация процесса теплообмена достигаются прежде всего увеличением скорости потока.
Существенную роль в переходе ламинарного пограничного слоя в турбулентный наряду со скоростью играет форма обтекаемого тела, а также начальная турбулентность набегающего потока. На поверхности тела с большей шероховатостью толщина образующегося пограничного слоя при прочих равных условиях будет больше. При поперечном омывании трубы или обтекании шара толщина пограничного слоя с увеличением диаметра будет возрастать, а интенсивность теплоотдачи будет уменьшаться.
Пограничный слой оказывает также влияние на процессы переноса массы. Так, например, при сушке материала, как было показано выше, над его поверхностью образуется диффузионный пограничный слой, который препятствует массообмену между поверхностью тела и газами. Перенос влаги через указанный слой осуществляется диффузией. Одновременно при этом образуется и тепловой пограничный слой. На толщину диффузионного пограничного слоя существенное влияние оказывает скорость потока. С увеличением скорости толщина слоя будет уменьшаться.
Таким образом, роль пограничного слоя в конвективном теплообмене и процессе сушки велика. В результате уменьшения его толщины, разрушения или перехода ламинарного режима в турбулентный достигается интенсификация тепло- и массообмена тела с окружающей средой. Исп.литература: 1) Теплотехника, под редакцией А.П. Баскакова, Москва, Энергоиздат, 1982. 2) Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,"Вышейшая школа", 1976.
полезно, ясно выражено