Главная » Просмотр файлов » John H. Lienhard IV, John H. Lienhard V. A Heat Transfer Textbook

John H. Lienhard IV, John H. Lienhard V. A Heat Transfer Textbook (776116), страница 42

Файл №776116 John H. Lienhard IV, John H. Lienhard V. A Heat Transfer Textbook (John H. Lienhard IV, John H. Lienhard V. A Heat Transfer Textbook) 42 страницаJohn H. Lienhard IV, John H. Lienhard V. A Heat Transfer Textbook (776116) страница 422017-06-17СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 42)

Wenow want to find how to evaluate q when ν does not equal α.6.4The Prandtl number and the boundary layerthicknessesDimensional analysisWe must now look more closely at the implications of the similarity between the velocity and thermal boundary layers. We first ask what dimensional analysis reveals about heat transfer in the laminar b.l. We knowby now that the dimensional functional equation for the heat transfercoefficient, h, should beh = fn(k, x, ρ, cp , µ, u∞ )The Prandtl number and the boundary layer thicknesses§6.4We have excluded Tw − T∞ on the basis of Newton’s original hypothesis,borne out in eqn. (6.43), that h ≠ fn(∆T ) during forced convection. Thisgives seven variables in J/K, m, kg, and s, or 7 − 4 = 3 pi-groups.

Notethat, as we indicated at the end of Section 4.3, there is no conversionbetween heat and work so it we should not regard J as N·m, but ratheras a separate unit. The dimensionless groups are then:Π1 =hx≡ NuxkΠ2 =ρu∞ x≡ Rexµand a new group:Π3 =µcpν≡≡ Pr, Prandtl numberkαThus,Nux = fn(Rex , Pr)(6.44)in forced convection flow situations. Equation (6.43) was developed forthe case in which ν = α or Pr = 1; therefore, it is of the same form aseqn. (6.44), although it does not display the Pr dependence of Nux .To better understand the physical meaning of the Prandtl number, letus briefly consider how to predict its value in a gas.Kinetic theory of µ and kFigure 6.13 shows a small neighborhood of a point of interest in a gasin which there exists a velocity or temperature gradient.

We identify themean free path of molecules between collisions as and indicate planesat y ± /2 which bracket the average travel of those molecules found atplane y. (Actually, these planes should be located closer to y ± for avariety of subtle reasons. This and other fine points of these argumentsare explained in detail in [6.4].)The shear stress, τyx , can be expressed as the change of momentumof all molecules that pass through the y-plane of interest, per unit area: change in fluidmass flux of molecules·τyx =velocityfrom y − /2 to y + /2The mass flux from top to bottom is proportional to ρC, where C, themean molecular speed of the stationary fluid, is u or v in incompressible flow. Thus, Ndudu(6.45)and this also equals µτyx = C1 ρC2dy mdy297Laminar and turbulent boundary layers298§6.4Figure 6.13 Momentum and energy transfer in a gas with avelocity or temperature gradient.By the same token,qy = C2 ρcv CdTdyand this also equals − kdTdywhere cv is the specific heat at constant volume.

The constants, C1 andC2 , are on the order of unity. It follows immediately that soν = C1 Cµ = C1 ρCandk = C2 ρcv Csoα = C2Cγwhere γ ≡ cp /cv is approximately a constant on the order of unity for agiven gas. Thus, for a gas,Pr ≡ν= a constant on the order of unityαMore detailed use of the kinetic theory of gases reveals more specificinformation as to the value of the Prandtl number, and these points areborne out reasonably well experimentally, as you can determine fromAppendix A:2• For simple monatomic gases, Pr = 3 .§6.4The Prandtl number and the boundary layer thicknesses• For diatomic gases in which vibration is unexcited (such as N2 and5O2 at room temperature), Pr = 7 .• As the complexity of gas molecules increases, Pr approaches anupper value of unity.• Pr is most insensitive to temperature in gases made up of the simplest molecules because their structure is least responsive to temperature changes.In a liquid, the physical mechanisms of molecular momentum andenergy transport are much more complicated and Pr can be far fromunity.

For example (cf. Table A.3):• For liquids composed of fairly simple molecules, excluding metals,Pr is of the order of magnitude of 1 to 10.• For liquid metals, Pr is of the order of magnitude of 10−2 or less.• If the molecular structure of a liquid is very complex, Pr might reachvalues on the order of 105 . This is true of oils made of long-chainhydrocarbons, for example.Thus, while Pr can vary over almost eight orders of magnitude incommon fluids, it is still the result of analogous mechanisms of heat andmomentum transfer. The numerical values of Pr, as well as the analogyitself, have their origins in the same basic process of molecular transport.Boundary layer thicknesses, δ and δt , and the Prandtl numberWe have seen that the exact solution of the b.l.

equations gives δ = δtfor Pr = 1, and it gives dimensionless velocity and temperature profilesthat are identical on a flat surface. Two other things should be easy tosee:• When Pr > 1, δ > δt , and when Pr < 1, δ < δt . This is true becausehigh viscosity leads to a thick velocity b.l., and a high thermal diffusivity should give a thick thermal b.l.• Since the exact governing equations (6.41) and (6.42) are identicalfor either b.l., except for the appearance of α in one and ν in theother, we expect thatνδt= fnonlyδα299Laminar and turbulent boundary layers300§6.5Therefore, we can combine these two observations, defining δt /δ ≡ φ,and getφ = monotonically decreasing function of Pr only(6.46)The exact solution of the thermal b.l.

equations proves this to be preciselytrue.The fact that φ is independent of x will greatly simplify the use ofthe integral method. We shall establish the correct form of eqn. (6.46) inthe following section.6.5Heat transfer coefficient for laminar,incompressible flow over a flat surfaceThe integral method for solving the energy equationIntegrating the b.l. energy equation in the same way as the momentumequation gives δt δt 2 δt∂T∂T∂ Tuvdydy +dy = α2∂x∂y∂y000And the chain rule of differentiation in the form xdy ≡ dxy − ydx,reduces this to δt δt δt δt δt∂T ∂u∂v∂uT∂vTdy −dy +dy −dy = αTT∂x∂x∂y∂y∂y00000or δt0∂uTdy +∂x δtvT 0 =T∞ v|y=δt −0− δtT0∂v∂u+∂x∂y= 0, eqn. (6.11)dy⎡ ⎤∂T ∂T ⎦ −= α⎣∂y δt ∂y 0 =0We evaluate v at y = δt , using the continuity equation in the form ofeqn. (6.23), in the preceeding expression: δt1∂∂T u(T − T∞ ) dy =−k= fn(x only)ρcp∂y 00 ∂x§6.5Heat transfer coefficient for laminar, incompressible flow over a flat surfaceorddx δt0u(T − T∞ ) dy =qwρcp(6.47)Equation (6.47) expresses the conservation of thermal energy in integrated form.

It shows that the rate thermal energy is carried away bythe b.l. flow is matched by the rate heat is transferred in at the wall.Predicting the temperature distribution in the laminar thermalboundary layerWe can continue to paraphrase the development of the velocity profile inthe laminar b.l., from the preceding section. We previously guessed thevelocity profile in such a way as to make it match what we know to betrue.

We also know certain things to be true of the temperature profile.The temperatures at the wall and at the outer edge of the b.l. are known.Furthermore, the temperature distribution should be smooth as it blendsinto T∞ for y > δt . This condition is imposed by setting dT /dy equalto zero at y = δt . A fourth condition is obtained by writing eqn. (6.40)at the wall, where u = v = 0. This gives (∂ 2 T /∂y 2 )y=0 = 0. These fourconditions take the following dimensionless form:⎫T − T∞⎪⎪= 1 at y/δt = 0⎪⎪⎪Tw − T∞⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪T − T∞⎪= 0 at y/δt = 1⎪⎪⎪⎬Tw − T∞(6.48)⎪d[(T − T∞ )/(Tw − T∞ )]⎪⎪= 0 at y/δt = 1⎪⎪⎪d(y/δt )⎪⎪⎪⎪⎪⎪2⎪⎪∂ [(T − T∞ )/(Tw − T∞ )]⎪⎪=0aty/δ=0⎭t2∂(y/δt )Equations (6.48) provide enough information to approximate the temperature profile with a cubic function.

2 3T − T∞yyy=a+b+c+d(6.49)Tw − T∞δtδtδtSubstituting eqn. (6.49) into eqns. (6.48), we geta=1−1=b+c+d0 = b + 2c + 3d0 = 2c301302Laminar and turbulent boundary layers§6.5which gives3a=1c=0b = −2d=12so the temperature profile is3yT − T∞1=1−+Tw − T∞2 δt2yδt3(6.50)Predicting the heat flux in the laminar boundary layerEquation (6.47) contains an as-yet-unknown quantity—the thermal b.l.thickness, δt . To calculate δt , we substitute the temperature profile,eqn.

(6.50), and the velocity profile, eqn. (6.29), in the integral form ofthe energy equation, (6.47), which we first express asu∞ (Twd− T∞ )dx1δt0uu∞ T − T∞ydTw − T∞δtT − T∞dα(Tw − T∞ )Tw − T∞=−d(y/δt )δt(6.51)y/δt =0There is no problem in completing this integration if δt < δ. However,if δt > δ, there will be a problem because the equation u/u∞ = 1, insteadof eqn. (6.29), defines the velocity beyond y = δ.

Let us proceed for themoment in the hope that the requirement that δt δ will be satisfied.Introducing φ ≡ δt /δ in eqn. (6.51) and calling y/δt ≡ η, we get⎡⎤1331 3 31 3d ⎢3α⎥1 − η + η dη ⎦ =ηφ − η φδt⎣δtdx2222u∞0 2(6.52)33φ− 280 φ3= 20Since φ is a constant for any Pr [recall eqn. (6.46)], we separate variables:2δtdδ2t3α/u∞dδt==33dxdx3φ−φ20280§6.5Heat transfer coefficient for laminar, incompressible flow over a flat surfaceFigure 6.14 The exact and approximate Prandtl number influence on the ratio of b.l.

thicknesses.Integrating this result with respect to x and taking δt = 0 at x = 0, weget2δt =3αxu∞:233φ−φ320280(6.53)3But δ = 4.64x/ Rex in the integral formulation [eqn. (6.31b)]. We divideby this value of δ to be consistent and obtainδt≡ φ = 0.9638δ4Pr φ 1 − φ2 /14Rearranging this gives11δt=1/3 δ1.025 Pr1/31.025 Pr1/3 1 − (δ2t /14δ2 )(6.54)The unapproximated result above is shown in Fig.

6.14, along with theresults of Pohlhausen’s precise calculation (see Schlichting [6.3, Chap. 14]).It turns out that the exact ratio, δ/δt , is represented with great accuracy303Laminar and turbulent boundary layers304§6.5byδt= Pr−1/3δ0.6 Pr 50(6.55)So the integral method is accurate within 2.5% in the Prandtl numberrange indicated.Notice that Fig. 6.14 is terminated for Pr less than 0.6. The reason fordoing this is that the lowest Pr for pure gases is 0.67, and the next lowervalues of Pr are on the order of 10−2 for liquid metals. For Pr = 0.67,δt /δ = 1.143, which violates the assumption that δt δ, but only by asmall margin.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
10,16 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6381
Авторов
на СтудИзбе
308
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее