19
bức xạ rất mạnh của mặt trời làm tách các phân tử ra để tạo thành các ion
và electron. Vì thế ngời ta gọi tầng này là tầng điện ly (Ionosphere) các
sóng điện từ bị phản xạ trong tầng này.
Càng lên cao, bức xạ Mặt trời trời càng mạnh, ở độ cao khoảng
600km, nhiệt độ lên đến 1000
o
C. Càng lên cao khí quyển càng mỏng và
không có một ranh giới rõ ràng phân biệt gữa khí quyển của trái đất và
không gian. Ngời ta thống nhất rằng khí quyển chuẩn của trái đất có độ
cao 800km.
107
Chơng 10. trao đổi nhiệt đối lu

10.1. Các khái niệm cơ bản

10.1.1. Định nghĩa và phân loại

Trao đổi nhiệt đối lu, hay còn gọi là tỏa nhiệt, là hiện tợng dẫn nhiệt từ
bề mặt vật rắn vào môi trờng chuyển động của chất lỏng hay chất khí.
Tùy theo nguyên nhân gây chuyển động chất lỏng, tỏa nhiệt đợc phân ra 2
loại:
-Theo nhiệt tự nhiên là hiện tợng dẫn nhiệt vào chất lỏng chuyển động tự
nhiên, luôn xảy ra trong trờng trọng lực khi nhiệt độ chất lỏng khác nhiệt độ bề
mặt.
- Tỏa nhiệt cỡng bức là hiện tợng dẫn nhiệt vào chất lỏng chuyển động

q
tF
Q
2

=

= ,
Hệ số đặc trng cho cờng độ tỏa nhiệt, bằng lợng nhiệt truyền từ 1m
2

bề mặt đến chất lỏng có nhiệt độ khác nhiệt độ bề mặt 1 độ
Giá trị của đợc coi là ẩn số chính của bài toán tỏa nhiệt, phụ thuộc vào
các thông số khác của môi trờng chất lỏng và bề mặt, đợc xác định chủ yếu
bằng các công thức thực nghiệm.

10.1.4. Các thông số ảnh hởng tới hệ số tỏa nhiệt

Tỏa nhiệt là hiện tợng dẫn nhiệt từ bề mặt vào môi trờng chất lỏng
chuyển động. Do đó, mọi thông số ảnh hởng đến sự chuyển động và dẫn nhiệt
trong chất lỏng đều ảnh hởng tới hệ số . Các thông số này thờng đợc phân ra
4 loại nh sau:
* Thông số hình học:
Mô tả vị trí, kích thớc, hình dạng của mặt tỏa nhiệt. Giá trị của thông số
hình học trong mỗi công thức thực nghiệm đợc chọn nh một kích thớc nào đó

108
của mặt F, đợc gọi là kích thớc xác định. Tùy theo vị trí và hình dạng của mặt
F, kích thớc xác định l có thể chọn là chiều cao h, chiều dài l hoặc đờng kính
tơng đơng

]
s/m
pC
a
2

=
.
Các thông số vật lí nói trên đều thay đổi theo nhiệt độ chất lỏng. Trong mỗi
thực nghiệm, để xác định các thông số vật lí, ngời ta quy định 1 giá trị nào đó
của nhiệt độ chất lỏng, đợc gọi là nhiệt độ xác định. Nhiệt độ xác định có thể à
nhiệt độ t
f
, t
W
hay )tt(
2
1
t
wfm
+= , tùy mô hình cụ thể, do nhà thực nghiệm qui
định.

* Nguyên nhân gây chuyển động chất lỏng:
- Chuyển động đối lu tự nhiên luôn phát sinh khi có độ chênh trọng lợng
riêng giữa các lớp chất lỏng gần và xa vách. Độ chênh trọng lợng riêng tỉ lệ với
gia tốc trọng lực g[m/s
2
], với hệ số nở thể tích
[

tầng ychả:2300Re
4
4
:
1
v

độ (10-1)
Một cách tổng quát, hệ số tỏa nhiệt phụ thuộc vào các thông số liên quan
đến bài toán tỏa nhiệt, theo phân tích định tính nói riêng trên, sẽ có dạng:
= f (l, , , a, , g, , t, ) (10-2) 109
10.2. phơng trình tiêu chuẩn của tỏa nhiệt

phơng trình tiểu chuẩn của tỏa nhiệt là phơng trình (10-2) đợc viết ở
dạng tiêu chuẩn, chỉ chứa các biến số độc lập không thứ nguyên. Dạng tổ quát của
phơng trình tiêu chuẩn có thể tìm đợc bằng phơng pháp biến đổi đồng dạng
hoặc phơng pháp phân tích thứ nguyên.

10.2.1. Phơng pháp phân tích thứ nguyên

Cơ sở của phơng pháp phân tích thứ nguyên là nguyên lí cho rằng nội
dung của phơng trình mô tả một hiện tợng vật lí sẽ không đổi khi thay đổi đơn
vị đo các đại lợng vật lí chứa trong phơng trình.
Mục đích của phơng pháp này là tìm cách thay đổi đơn vị đo thích hợp để
khử các biến phục thuộc, đa phơng trình (10 -2) về dạng tiêu chuẩn, chỉ chứa
các biến độc lập không thứ nguyên.


]
[
]
[
]
[
]
Ks/kgKm/WƯ;Ks/kgmmK/WƯ;s/mtg
3222
=====
Đơn vị đo chung cho các đại lợng, hay đơn vị đo cơ bản, là hệ 4 đơn vị
sau:
([kg]; [m]; [s]; [K])
Khi đo bằng hệ đơn vị cơ bản mới (G[kg], M[m], S[s], D[K]), với G, M, S,
D là các hệ số tỉ lệ sẽ đợc chọn, thì phơng trình (10-2) sẽ có dạng:








=
S
M
,tg
S
M
,a






=
=
=
=
1
DS
GM
1v
S
M
1
M
G
11M
3
2
3
Tức là








Thay giá trị các hệ tìm đợc vào phơng trình (10-3) sẽ có:

Re), Gr, f(Pr, Nuhay
v
,
v
lg
,
a
v
1,1,1,1,f
l
2
3
=








=
l
t


(10-4)


trị, đợc gọi là tiêu chuẩn Grashof, đặc trng cho cờng độ đối lu tự nhiên.

10.2.3. Các dạng đặc biệt của phơng trình tiêu chuẩn tỏa nhiệt

Khi đối lu tự nhiên đơn thuần, Re là ấn số phụ thuộc Gr và Pr, nên phơng
trình (10-4) sẽ có dạng:
Nu=f (Gr,Pr).
Khi chuyển động cỡng bức mạnh, có thể coi Gr = const, lúc đó phơng
trình (10- 4) có dạng:
Nu = f (Re,Pr).
Khi môi trờng là hất khí, có Pr = const, phơng trình (10-4) có dạng:
Nu=f(Gr,Re).
Khi chất khí đối lu tự nhiên thì Nu = F(Gr), khi chất khí chuyển động
cỡng bức mạnh thì Nu = f(Re).

10.3. cách xác định công thức thực nghiệm

10.3.1. Các bớc thực nghiệm

Khi cần thiết lập công thức tính cho 1 hiện tợng tỏa nhiệt, ngời ta tiến
hành các bớc nh sau:
1. Lập mô hình thí nghiệm đồng dạng với hiện tợng tỏa nhiệt đang xét
2. Đo các giá trị của tất cả các đại lợng tại các chế độ cần khảo sát.
3. lập bảng tính các giá trị tơng ứng của các tiêu chuẩn Re, Gr, Pr, Nu
theo các số liệu thu đợc tại k điểm đo khác nhau.
4. lập công thức thực nghiệm Nu = f (Gr,Re,Pr) theo bảng giá trị các tiêu
chuẩn nói trên bằng phơng pháp đồ thị.

10.3.2. Phơng pháp đồ thị tìm dạng phơng trình tiêu chuẩn