Страница 5 из 16
Это выражение называется законом теплопроводности Фурье. Здесь – коэффициент теплопроводности среды.
Закон молекулярного переноса теплоты для элементарного объема может быть получен аналогичным образом, как и для переноса массы. Тогда суммарное изменение количества тепла вдоль всех 3-х координат элементарного объема, проявляющееся в изменении температуры, равно изменению температуры, вовремя помноженному на произведение теплоемкости ср на плотность ρ [6]:
Выражение в скобках в уравнении (1.24) является оператором Лапласа, с учетом его сокращенного обозначения и дополнительного источника тепла qr, например, за счет химической реакции, с введением коэффициента температуропроводности а = / ср ρ, получим для выражения (1.24):
Уравнение (1.25) является следствием закона Фурье и также называется его именем. Оно определяет поле температур для молекулярного переноса тепла в рассматриваемой среде.
Для одномерной теплопроводности, например, вдоль оси х, уравнение (1.25) может быть записано в следующем виде:
При переносе тепла в движущейся среде имеет место конвективный перенос и перенос за счет молекулярной диффузии. Тогда вместо частной производной температуры по времени в уравнении (1.25) надо писать полную производную, учитывающую и конвективный перенос. С учетом этого для (1.25) получим
Уравнение (1.27) называется уравнением Фурье-Кирхгофа и определяет поле температур с учетом молекулярного и конвективного переноса тепла. Как следует из этого уравнения, для описания макрокинетики процесса теплопереноса необходимо учитывать гидродинамику и уравнение переноса в движущейся среде (1.27) должно быть дополнено уравнениями движения Навье-Стокса (1.10), определяющими поле скоростей в движущейся среде.
1.7 Перенос количества движения
По второму закону Ньютона изменение количества движения в единицу времени (импульс) численно равно силе – уравнение (1.8). В движущемся потоке газа или жидкости под действием массовых и поверхностных сил происходят соударения молекул, что обуславливает перенос количества движения. Баланс сил в движущемся потоке представляет собой закон сохранения количества движения (импульса). На основе баланса сил получена выше система уравнений Навье-Стокса (1.10).
Строго говоря, т. к. система уравнений Навье-Стокса получена на основе закона Ньютона для вязкостного трения (1.9), учитывающего молекулярный перенос количества движения (микроперенос), она применима только для струйчатого, ламинарного движения вязкой жидкости.
Если жидкости отклоняются от закона Ньютона, то их называют неньютоновскими. К ним относятся жидкие полимеры, растворы высокомолекулярных полимеров, суспензии и др.
Макроперенос количества движения обусловлен конвективными токами, турбулентными образованьями, вихрями. Если микроперенос осуществляется только за счет теплового движения молекул, то макроперенос обусловлен не только молекулярным механизмом, но главным образом за счет более быстрого переноса макроколичеств среды. В результате этого в жидкости возникает дополнительное трение. Оно учитывается коэффициентом турбулентной вязкости т. Тогда формула (1.9) примет вид:
Можно показать [6], что в этом случае система уравнений Навье-Стокса формально останется той же (1.10), но вместо ньютоновской вязкости μ необходимо подставить в нее сумму ньютоновской и турбулентной вязкости μт.
Поле скоростей при микропереносе количества движения определяется при решении системы уравнений Навье-Стокса (1.10), а при макропереносе количества движения определяется из решения системы уравнений Навье-Стокса с учетом турбулентной вязкости. Следует отметить, что если ньютоновская вязкость является величиной постоянной для данной среды, то турбулентная вязкость зависит от масштаба турбулентности и поэтому при ее расчете, возникают определенные трудности.
1.8 Аналогия процессов переноса
Сравнивая выражения для трех видов молекулярного переноса массы (1.18) – закон Фика, переноса тепла (1.23) – закон Фурье и переноса количества движения (1.9) – закон Ньютона, нетрудно заметить, что по форме они абсолютно аналогичны.
.
Здесь эти уравнения дополнены еще одним видом переноса – переносом электричества. Где u – градиент напряжения или электрический потенциал, ρ – удельное сопротивление электрического тока.
Имеется очевидное подобие выражений для конвективного переноса массы (1.22), переноса тепла (1.27) – закон Фурье и переноса количества движения (1.10), записанных ниже для одномерного потока:
Приведенные уравнения тождественны по форме. Их левые части представляют собой, соответственно, скорость переноса массы, теплоты и количества движения в пространстве. Первые члены правой части представляют собой, соответственно, скорость молекулярного переноса массы, теплоты и количества движения, а вторые – характеризуют интенсивность внешнего источника. Одинаковая форма уравнений, описывающих разные виды переноса, указывает на подобие полей концентраций, температур и скоростей в рассматриваемых процессах.
На аналогию трех видов переноса указывает и одинаковая размерность коэффициентов переноса а, D и ν равная [м2/с]. Для газов механизм молекулярного переноса одинаков для переноса массы, теплоты и количества движения, т. к. связан с тепловым движением молекул. Поэтому все три коэффициента имеют один порядок с произведением длины свободного пробега молекул L на скорость их теплового движения u*:
.
Для жидкостей соотношение этих коэффициентов следующее:
ν а D.
При турбулентном движении газа и жидкостей роль всех трех коэффициентов может играть коэффициент турбулентного обмена [10], равный для изотропной турбулентности произведению масштаба турбулентности l на среднюю пульсационную скорость u.
Подобие различных видов переноса позволяет использовать общий математический аппарат, общие методы решения уравнений, описывающих перенос. Для моделирования различных процессов переноса можно использовать метод электродинамической аналогии на аналоговых ЭВМ (подобие переносу электричества) или подобие другого вида переноса. Так, передаче тепла теплопроводностью соответствует молекулярный массоперенос, а передаче тепла конвекцией – конвективный массоперенос. Только передача тепла излучением (передача энергии в форме электромагнитных волн в инфракрасном спектре) не имеет аналогии в массопереносе.
Вследствие подобия теоретические и экспериментальные результаты исследования, например, процессов теплопереноса могут быть непосредственно применены к процессам диффузии и наоборот [10]. В то же время экспериментальное изучение теплопереноса проводится в среде с переменной температурой. При этом на результатах исследования сказывается зависимость физических констант от температуры и приходится использовать усредненные по температуре значения этих констант, что вносит погрешности в расчеты. По этой причине можно рекомендовать для получения более точных зависимостей для конвективного теплопереноса использовать метод аналогии с массопереносом. По этой же причине в данной монографии наибольшее внимание уделено массопереносу, а вопросы теплопереноса рассмотрены как вторичные.