Geschwindigkeitsgrenzschicht
Im Allgemeinen, wenn ein Fluid strömt über eine stationäre Oberfläche , beispielsweise die flache Platte, das Bett eines Fluss, oder die Wand eines Rohrs, wobei das Fluid die Oberfläche berührt , auf gebracht Rest durch die Scherbeanspruchung zu an der Wand. Der Bereich, in dem sich die Strömung von der Geschwindigkeit Null an der Wand bis zu einem Maximum im Hauptstrom der Strömung einstellt, wird als Grenzschicht bezeichnet . Das Konzept der Grenzschichten ist sowohl in der viskosen Fluiddynamik als auch in der Theorie der Wärmeübertragung von Bedeutung.
Grundlegende Eigenschaften aller laminaren und turbulenten Grenzschichten werden in der sich entwickelnden Strömung über eine flache Platte gezeigt. Die Stufen der Bildung der Grenzschicht sind in der folgenden Abbildung dargestellt:
Die Grenzschichten können abhängig vom Wert der Reynolds-Zahl entweder laminar oder turbulent sein .
Siehe auch: Grenzschicht
Thermische Grenzschicht
Ähnlich wie sich eine Geschwindigkeitsgrenzschicht entwickelt, wenn Flüssigkeit über eine Oberfläche fließt, muss sich eine thermische Grenzschicht entwickeln, wenn sich die Massentemperatur und die Oberflächentemperatur unterscheiden. Betrachten Sie den Durchfluss über eine isotherme flache Platte bei einer konstanten Temperatur der T- Wand . An der Vorderkante ist das Temperaturprofil gleichmäßig mit T bulk . Fluidpartikel, die mit der Platte in Kontakt kommen, erreichen ein thermisches Gleichgewicht bei der Oberflächentemperatur der Platte. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt der Energiefluss an der Oberfläche ausschließlich durch Leitung. Diese Teilchen tauschen Energie mit denen in der angrenzenden Flüssigkeitsschicht aus (durch Leitung und Diffusion), und Temperaturgradienten entwickeln sich in der Flüssigkeit. Der Bereich des Fluids, in dem diese Temperaturgradienten vorliegen, ist die thermische Grenzschicht . Sein Dicke , δ t , wird typischerweise als der Abstand von dem Körper definiert , bei dem die Temperatur 99% der Temperatur von einer nichtviskosen Lösung gefunden ist. Mit zunehmendem Abstand von der Vorderkante dringen die Wärmeübertragungseffekte weiter in den Strom ein und die thermische Grenzschicht wächst.
Das Verhältnis dieser beiden Dicken (Geschwindigkeits- und thermische Grenzschichten) wird durch die Prandtl-Zahl bestimmt , die als Verhältnis von Impulsdiffusionsvermögen zu thermischem Diffusionsvermögen definiert ist . Eine Prandtlsche Zahl von Eins zeigt an, dass Impuls und Wärmeleitfähigkeit vergleichbar sind und Geschwindigkeit und thermische Grenzschichten fast miteinander übereinstimmen. Wenn die Prandtl-Zahl kleiner als 1 ist, was bei Luft unter Standardbedingungen der Fall ist, ist die thermische Grenzschicht dicker als die Geschwindigkeitsgrenzschicht. Wenn die Prandtl-Zahl größer als 1 ist, ist die thermische Grenzschicht dünner als die Geschwindigkeitsgrenzschicht. Luft bei Raumtemperatur hat eine Prandtl-Zahl von 0,71 und fürWasser bei 18 ° C liegt bei etwa 7,56 , was bedeutet, dass die Wärmeleitfähigkeit für Luft dominanter ist als für Wasser.
Ähnlich wie bei der Prandtl- Zahl bezieht sich die Lewis-Zahl physikalisch auf die relative Dicke der thermischen Schicht und der Grenzschicht für den Stoffübergang (Konzentration). Die Schmidt-Zahl bezieht sich physikalisch auf die relative Dicke der Geschwindigkeitsgrenzschicht und der Stoffübergangsgrenzschicht (Konzentrationsgrenzschicht).
Dabei ist n = 1/3 für die meisten Anwendungen in allen drei Beziehungen. Diese Beziehungen gelten im Allgemeinen nur für laminare Strömungen und nicht für turbulente Grenzschichten, da in diesem Fall turbulentes Mischen die Diffusionsprozesse dominieren kann.
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