Пограничный слой в газе обладает особыми свойствами. В нем перераспределяется энергия между поступательным и диффузионным движениями газа. А чем больше градиент поступательной скорости струи газа, тем меньше энергии остается на долю диффузионного движения, тем ниже становится ее температура, тем ниже вязкость. Поэтому в пограничном слое температура понижена, следовательно, понижена и вязкость, пропорциональная температуре.

При больших скоростях внешнего потока газа внутри пограничного слоя происходит переход кинетической энергии молекул в тепловую, вследствие чего локальная температура газа увеличивается. В случае теплоизолированной поверхности температура газа в пограничном слое может приближаться к температуре торможения

Один из законов, используемый для описания деталей поля течения, выражает условие сохранения энергии. Применительно к течениям можно рассматривать два рода кинетической энергии: энергию, связанную с основным (упорядоченным) течением, и энергию, соответствующую случайным движениям молекул. Энергию, связанную со структурой отдельных молекул и атомов, мы рассматривать не будем, так как ее влияние становится заметным лишь при очень высоких температурах.

В расчете на единицу объема кинетическая энергия упорядоченного движения записывается как 1/2 rv², тогда как кинетическая энергия случайных (неупорядоченных) движений равна rc_pT, где c_p – удельная теплоемкость при постоянном давлении и T – абсолютная температура воздуха. Согласно закону сохранения энергии для установившихся течений, сумма отнесенных к единице объема энергиий упорядоченного и случайного движений сохраняет постоянное значение:

Из этого уравнения энергии видно, что если скорость течения v увеличивается, то его температура T уменьшается.

Из областей газа с повышенной температурой теплота передаётся движущемуся телу, происходит перенос энергии. Существуют две формы переноса энергии— конвективная и радиационная. Конвективный нагрев — следствие передачи теплоты из внешней, «горячей» части пограничного слоя к поверхности тела посредством молекулярной теплопроводности и переноса теплоты при перемещении макроскопических элементов среды. Количественно конвективный тепловой поток q_k определяют из соотношения:

В качестве примера перераспределения энергии в пограничном слое можно привести явления, связанные с отрывом потока от обтекаемого тела. Отрыв потока, вообще говоря, нежелателен, поскольку он обычно возникает в точках максимальной скорости и, следовательно, минимального давления, после чего это низкое давление доминирует во всей зоне отрыва ниже по течению. В результате течение воздействует на поверхность тела (стенку) с некоторой силой, добавляющейся к поверхностному сопротивлению (создавая "сопротивление формы", обусловленное повышенным давлением спереди обтекаемого тела и пониженным - сзади), а энергия течения "непроизводительно" расходуется на интенсивную турбулентность, возникающую в неустойчивой зоне отрыва. Для погруженных в поток тел сочетание поверхностного сопротивления и сопротивления формы дает полную силу сопротивления движению, зависящую, таким образом, от формы тела и от числа Рейнольдса.

В начале 60-х годов были выполнены эксперименты, которые начали изменять взгляды на турбулентность. В последние двадцать лет исследований в отношении турбулентности появилась уверенность, что характеристики переноса импульса, энергии и т.п. турбулентных сдвиговых течений определены крупномасштабным вихревым движением детерминированным, а не случайным. Форма, интенсивность и масштаб этих организованных движений изменяется от потока к потоку, и вместе с ними изменяются методы их определения. Замечательное свойство турбулентного пограничного слоя – это универсальность пристеночного поведения. Независимо от величины градиента давления, от шероховатости стенки или от числа Рейнольдса наблюдается логарифмическая зависимость скорости от координаты Кроме того, суммирование скорости генерации турбулентной энергии по всей толщине пограничного слоя приводит к результату, что первые 5% пограничного слоя вносят больше половины генерируемой турбулентной энергии. Этот результат был первым толчком для ранних работ и остается таковым для большей части работ по структуре турбулентного пограничного слоя, выполненных сегодня.

 

 

Интенсивность процесса сушки зависит от очень большого количества факторов, основными из которых являются градиенты температур, размеры высушиваемых частиц, влажность и скоростные характеристики омываемого частицы потока воздуха, а также влагоудерживающие свойства высушиваемого продукта.

Следует отметить, что на интенсивность процесса сушки очень сильное влияние оказывает состояние пограничного слоя около частиц. Степень турбулентности всего потока в сушильной камере достаточно высока. Однако, расчеты показывают, что около частиц, в виду их малого размера, существует явно ламинарный пограничный слой, соизмеримый по толщине с размером самих частиц. Т.е. в этой области движение воздуха имеет упорядоченный слоистый характер.

Таким образом, процесс тепло-массопереноса между частицами распыленного продукта и высушиваемого воздуха можно рассматривать как два процесса: процесс, происходящий в ламинарном слое около частиц продукта и и процесс тепло- массообмена между ламинарным слоем и основным ядром потока. Определяющим в данном случае является первый ввиду значительно меньших, на несколько порядков, скоростей.

Таким образом, определив коэффициент трения легко оценить и теплообменные характеристики в пограничном слое.

При наличии градиента давления во внешнем потоке и учитывая степенной закон зависимости вязкости от температуры, а также то, что распределение температур в пограничном слое пропорционально распределению скорости, получаем выражения для толщины пограничного слоя и коэффициента трения
Поперечный поток массы можно характеризовать с помощью безразмерного параметра проницаемости границы раздела фаз.

Это позволяет производить оценку влияния поперечного потока пара на границе раздела фаз на тепло- и массообменные процессы. Знание закона изменения потока массы вдоль этой границы дает возможность с необходимой степенью точности рассчитать теплообменные и массообменных характеристики системы жидкость-воздух и получить требуемые критериальные зависимости для оценки реальных процессов, происходящих при распылительной сушке.

Нагрев тел, движущихся с большой скоростью в воздухе или др. газе. Аэродинамический нагрев (А. н.) - результат того, что налетающие на тело молекулы воздуха тормозятся вблизи тела. Если полёт совершается со сверхзвук. скоростью, торможение происходит прежде всего в ударной волне, возникающей перед телом. Дальнейшее торможение молекул воздуха происходит непосредственно у самой поверхности тела, в т. н. пограничном слое. При торможении потока молекул воздуха энергия их хаотического (теплового) движения возрастает, т. е. темп-pa газа вблизи поверхности движущегося тела повышается. Макс. темп-pa, до к-рой может нагреться газ в окрестности движущегося тела, близка к т. н. температуре торможения: Т₀= T_н+v²/2c_p, где Т_н — температуpa набегающего воздуха, v — скорость полёта тела, с_р— уд. теплоёмкость газа при пост. давлении. Так, напр., при полёте сверхзвук. самолёта с утроенной скоростью звука (ок. 1 км/с) темп-pa торможения составляет ок. 400°С, а при входе косм. аппарата в атмосферу Земли с 1-й косм. скоростью (ок. 8 км/с) темп-ра торможения достигает 8000°С. Если в первом случае при достаточно длит. полёте темп-pa обшивки самолёта может быть близка к темп-ре торможения, то во втором случае поверхность косм. аппарата неминуемо начнёт разрушаться из-за неспособности материалов выдерживать столь высокие темп-ры.

С увеличением скорости полёта темп-ра воздуха за ударной волной и в пограничном слое возрастает, в результате чего происходит диссоциация и ионизация молекул. Образующиеся при этом атомы, ионы и эл-ны диффундируют в более холодную область — к поверхности тела. Там происходит обратная реакция (рекомбинация), идущая с выделением теплоты. Это даёт дополнит. вклад в конвективный А. н.

А. н. играет важную роль при возвращении в атмосферу Земли косм. аппаратов. Для борьбы с А. н. летат. аппараты оснащаются спец. системами теплозащиты. Существуют активные и пассивные методы теплозащиты. В активных методах газообразный или жидкий охладитель принудительно подаётся к защищаемой поверхности и берёт на себя осн. часть поступающей к поверхности теплоты. Газообразный охладитель как бы загораживает поверхность от воздействия высокотемпературной внеш. среды, а жидкий охладитель, образующий на поверхности защитную плёнку, поглощает подходящую к поверхности теплоту за счёт нагревания и испарения плёнки, а также последующего нагрева паров. В пассивных методах теплозащиты воздействие теплового потока принимает на себя спец. образом сконструированная внеш. оболочка или спец. покрытие, наносимое на осн. конструкцию. Радиационная теплозащита основана на применении в качестве внешней оболочки материала, сохраняющего при высоких темп-pax достаточную механич. прочность. В этом случае почти весь тепловой поток, подходящий к поверхности такого материала, переизлучается в окружающее пр-во.

Наибольшее распространение в ракетно-косм. технике получила теплозащита с помощью разрушающихся покрытий, когда защищаемая конструкция покрывается слоем спец. материала, часть к-рого под действием теплового потока может разрушаться в результате процессов плавления, испарения, сублимации и химической реакций. При этом осн. часть подходящей теплоты расходуется на реализацию разл. физ.-хим. превращений. Дополнительный заградит. эффект имеет место за счёт вдува во внеш. среду сравнительно холодных газообразных продуктов разрушения теплозащитного материала. Пример разрушающихся теплозащитных покрытий — стеклопластики и др. пластмассы на органич. и кремнийорганич. связующих. В кач-ве средства защиты летательных аппаратов от А. н. применяются также углерод-углеродные композиционные материалы.