Инверсия конвекции

Следующая важная прикладная задача относится к течениям, вызванным выталкивающей силой в воде при низких температурах. Максимальная плотность чистой воды при давлении 0,1 МПа достигается при температуре около 4°С и продолжает сохраняться при больших давлениях и уровнях солености. Если поле температур в холодной воде охватывает условия, отвечающие максимуму плотности, существует обратная выталкивающая сила. В случаях когда обратная сила достаточно велика, возникают локальные течения, оказывающие большое влияние на перенос. При некоторых условиях происходит полное изменение направления результирующего течения, называемое инверсией конвекции. Эти сложные процессы обычно возникают при замерзании воды и таянии льда как в чистой, так и в соленой воде. Полученные в свете современных понятий данные [c.25]

Y/XA область возможного обращения выталкивающей силы и инверсии конвекции. [c.488]

Ввиду аномального изменения плотности воды течения при низких температурах часто отличаются большой сложностью. Для пресной воды это наблюдается при температуре около 4°С. Обычно возникают изменение направления выталкивающей силы на обратное (обращение выталкивающей силы), двумерные профили скорости и инверсия конвекции. В работе [9] была впервые обнаружена инверсия конвекции, обусловленная экстремумом плотности, а в работах [13, 14] представлены подробные данные измерений теплообмена в воде при инверсии конвекции. [c.504]

Рис. 9.3.1. Связь величины с направлением выталкивающей силы, ее обращением и инверсией конвекции. Точки а — / соответствуют различным значениям too. Для простоты величина о принята равной температуре плавления льда в пресной воде при давлении 0,1 МПа, т. е. to = 0°С.

В работе [26] получено решение уравнений (9.3.28) и (9.3.29) при граничных условиях (9.3.30) для изотермической поверхности, расположенной в нестратифицированной спокойной среде. При описанной выше постановке задачи получаются только три определяющих параметры число Прандтля, Я д. Если положить Рг= 11,5 и <7= 1,894816, что соответствует пресной воде при давлении 0,1 МПа и температуре 4 °С, то остается лишь один дополнительный параметр Я. В табл. 9.3.1 и на рис. 9.3.1 значения Я связаны с температурными условиями и с соответствующим направлением выталкивающей силы. Хотя с первого взгляда роль Я оценить довольно трудно, можно заметить, что выталкивающая сила W= ф — 7 — Я изменяет знак в области течения только в том случае, если Я находится в диапазоне О-< Я < 1/2. Это вполне очевидно, если сравнить условия, указанные в табл. 9.3.1, с распределениями плотности, приведенными на рис. 9.1.1. Этот диапазон Я подтверждается данными исследований инверсии конвекции около ледяных шариков [c.515]

В воде. В работе [12] инверсия конвекции была обнаружена при ioo = 4,8° , а в работе [50] — при /оо = 5,3°С. Эти температуры соответствуют значениям i = 0,17 и 0,25. Полагали, что инверсия конвекции связана с созданием возвратного течения, которое приводит к резкому снижению интенсивности переноса, т. е. скорости таяния льда. В работе [1] было найдено, что инверсия конвекции для течения около вертикальной ледяной поверхности наблюдается при температуре между 5,5 и 5,6 С. Если принять im(0 0,1) = 4,03 °С, то значения ioo и R, при которых происходит инверсия конвекции, равны соответственно 5,5 °С и 0,27. Низкие скорости таяния льда отмечаются в значительно более широком диапазоне ioo. [c.518]

В диапазоне О < / < 1/2 выполняются все условия обращения местной выталкивающей силы и возникновения местного возвратного течения. Приближение к инверсии конвекции, [c.523]

Данные, представленные на рис. 9.3.10, показывают, что в диапазоне О С < 0,5, в котором происходит обращение выталкивающей силы, интенсивность теплообмена существенно снижается при приближении к инверсии конвекции. Для сравнения на этом рисунке приведены также экспериментальные данные работ [1, 32]. Эти данные систематически занижены по сравнению с результатами расчета. Отличие, составляющее около 9 %, обусловлено в основном тем, что при проведении расчетов пренебрегалось движением разделяющей поверхности или, что эквивалентно, вдувом на этой поверхности. В рассматриваемом диапазоне значений У максимальная скорость движения разделяющей поверхности получается при / = 0,5, поскольку в этих условиях достигается максимум плотности теплового потока на стенке. [c.527]

Соленая вода тоже имеет экстремум плотности (рис. 9.1.1). При давлении 0,1 МПа экстремум наблюдается до солености 26 %о. При больших значениях солености tu > и в равновесных условиях экстремум плотности отсутствует. Если имеются и градиент температуры, и градиент солености, то могут возникать как обращение местной выталкивающей силы, так и возвратное течение или полная инверсия конвекции. Создающиеся при этом течения очень интересны, но, как правило, очень сложны и не поддаются расчету. Основными уравнениями для таких течений служат общие уравнения (9.2.1) — (9.2.5). [c.549]

Пэдлог и Моллендорф [24] обобщили результаты исследования [25], более подробно изучив влияние переменности свойств в окрестности максимума плотности. В частности, рассматривались температурные условия, при которых возникает инверсия конвекции. Кроме того, в анализе учитывалось влияние вдува на стенке. Такое граничное условие приближенно соответствует случаю плавления поверхности льда в воде. Было установлено, что вдув является доминирующим эффектом и приводит к снижению теплового потока максимум на 7 % при 20 °С. Учет влияния переменности свойств приводит к дополнительному снижению теплового потока, составляющему всего 1,7 %. [c.489]

Анализ подобных течений впервые был проведен Мерком [39]. Зависимость плотности воды от температуры выражалась полиномом третьей степени и с помощью интегрального метода был выполнен расчет местного теплового потока при таянии льда в пресной воде. Согласно расчетным результатам, инверсия конвекции происходила при температуре около 5,3 °С, и было установлено, что при этой температуре тепловой поток достигает минимума. В случае таяния льда в воде при температуре ,< 5,3°С течение направлено вдоль поверхности вверх, а при /ю > 5,3 °С — вниз. В более поздней работе [49] интегральный метод был применен для исследования течения около плоской вертикальной поверхности в воде с температурой около 4°С. [c.504]

Из сравнительно ранних работ следует отметить проведенное Обориным [42] исследование теплоотдачи сфер и горизонтальных цилиндров в холодной воде. Экспериментальные данные подтверждают результаты расчета инверсии конвекции, полученные Мерком [39]. В работе [50] проведено экспериментальное исследование таяния льда в холодной воде и полученные данные удовлетворительно согласуются с экспериментальными [12] и расчетными [39] результатами. [c.505]

Следовательно, С О часто служит сигналом того, что в соотношении (9.3.20) необходимо изменить направление х таким образом, чтобы оно совпадало с направлением действия g. В таком случае величина Р(ц) в среднем будет положительной во всей области течения. Этот вопрос, связанный с инверсией конвекции , будет подробнее рассмотрен ниже. Дополнительным доводом в пользу нормализации W с использованием / служит то обстоятельство, что при этом в большей части области течения член с выталкивающей силой становится величиной порядка единицы. С другой стороны, уравнения становятся теперь интег-родифференциальными, поскольку при численном решении необходимо вычислять итерационным методом и Iw- [c.512]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология