ПРЕДИСЛОВИЕ

Течения, вызванные гидро- или аэростатической подъемной силой, во множестве встречаются в природе, окружающей нас среде и в технических устройствах. Эти течения возникают в результате взаимодействия объемной силы, например силы тяжести, с разностью плотностей. Разность плотностей обычно обусловлена переносом тепловой энергии и (или) химических веществ. Первое знакомство с сутью явлений переноса произошло более ста лет тому назад. С тех пор с возрастающей скоростью накапливались экспериментальные данные, корреляционные формулы и аналитические зависимости.

Изучение процессов переноса с возрастающей за последние тридцать лет интенсивностью привело к дальнейшему, более ясному пониманию многих фундаментальных аспектов явления. На протяжении жизни одного поколения ученых получено детальное объяснение многих механизмов течения и переноса как в неограниченной1) и покоящейся внешней среде, так и в замкнутых объемах жидкости. Большое внимание уделено также более сложным видам переноса, объединяющим свойства и внешних, и внутренних течений.

Явления переноса, возникающие в обычных условиях под действием гидро- или аэростатической подъемной силы, чрезвычайно разнообразны. Они существуют в объемах одно- и многофазных жидкостей. Интересные и важные эффекты наблюдаются в жидких объемах любого масштаба — от микроскопических в живых системах, в масштабах порядка метров в обычной жизни и в технике и до сотен километров в атмосфере и водной оболочке Земли, а также в огромных масштабах внеземной циркуляции вещества.

Жидкий объем любого масштаба может подвергаться воздействиям гидростатической подъемной силы, возникающим однократно или многократно от многих и разнообразных видов и сочетаний физических процессов. Подъемная сила может возникнуть из-за разности плотностей в поле объемной силы, а разность плотностей образуется вследствие тепло- и массопереноса. В свою очередь тепло- и массоперенос, вызывающий появление подъемной силы, может быть обусловлен действием многих и разных механизмов. Например, даже кажущийся простым эффект возникновения подъемной силы, действующей на лист кукурузы, освещенный солнцем, оказывается достаточно сложным. Солнце нагревает лист, который для поддержания теплового равновесия (терморегулирования) может испарять водяной пар. В процессе фотосинтеза хлоропласт листа поглощает СО2 из воздуха и выделяет О2. Таким образом, в образовании результирующей подъемной силы одновременно участвуют перенос тепла и три процесса массопереноса. Эти процессы объединяются с переносом тепла излучением. Другой пример — потеря метаболической теплоты2) млекопитающими с поверхности их тел. Теплота тела порождает теплоперенос вблизи его поверхности. Но часто такое же по порядку величины воздействие оказывает потение. Испарения с поверхности тела увлажняют прилегающий слой воздуха. Таким образом, возникают две составляющие аэростатической силы, направленной вверх.

Эта книга написана с целью собрать в одном месте накопленные к настоящему времени знания о значительной и представительной части этой обширной и разнообразной отрасли науки. Упор сделан на фундаментальные механизмы процесса переноса. Здесь отсутствует полный охват всей детальной информации, появившейся в последнее время и относящейся к изученным конкретным приложениям. Внимание сосредоточено на тех вопросах, интенсивное изучение которых привело к объяснению и математическому описанию процессов и в которых получены формулы переноса, имеющие большое практическое значение. В большей части книги рассматриваются движения, вызванные гидро- и аэростатической подъемной силой в однофазной жидкости и обусловленные переносом тепла и массы.

Во всем тексте акцент сделан на физические механизмы, их математическое описание, анализ общих результатов и описание экспериментальных данных, относящихся к рассматриваемым вопросам. Меньшее внимание уделено детальным характеристикам конкретных технических приложений и процессов в окружающей среде. Изложение большей частью направлено на то, чтобы довести некоторые вопросы до современного уровня и помочь как читателям, использующим эту информацию, так и желающим сделать попытку ее дальнейшего обобщения и развития.

В первых семи главах описаны наиболее простые фундаментальные механизмы процессов, возникающих в стационарных и нестационарных внешних течениях, вызванных переносом тепла и массы. Гл. 8 и 9 характеризуют более высокий уровень сложности, при котором учитывается влияние существенных или аномальных изменений физических свойств жидкости. В гл. 10 рассматривается смешанная конвекция во внешних и внутренних течениях. Гл. 11 и 12 посвящены неустойчивости, переходу и турбулентному переносу во внешних течениях. Гл. 13, в которой изучаются неустойчивые стратифицированные слои жидкости, является подготовительной для гл. 14, где рассматривается перенос в замкнутых и частично замкнутых емкостях. В гл. 15 обсуждаются внешние и внутренние течения в пористой среде. В гл. 16 представлены явления, связанные с поведением неньютоновских жидкостей. Наконец, в гл. 17 собрана информация о центробежных и других силовых полях, о влиянии хаотических воздействий и излучения, а также изучены сопутствующие эффекты и производство энтропии.

В конце каждой главы приведены задачи, охватывающие большую часть материала книги. Во всей книге используются единые обозначения. В приложении даны теплофизические параметры и параметры переноса жидкостей и газов. Книга снабжена предметным указателем, позволяющим найти конкретное место в этом обширном и разнообразном материале.

В списки литературы включен перечень важных дополнительных источников. В большинстве этих публикаций приведены самые последние результаты. Приведены также источники, содержащие материалы, которые не могли войти в книгу ограниченного объема.

Книга в настоящем виде с задачами и приложением может служить пособием для разных односеместровых курсов. В гл. 1—3, 5—7, 10, 13 и 14 содержится наиболее существенный материал, достаточный в качестве основы для изучения остальных вопросов. Для курса, имеющего целью изложение фундаментальных проблем, можно добавить гл. 4, 8, 9 и часть материала гл. 11. В свою очередь гл. 12 и 15—17 расширяют базу основных понятий и, возможно, позволят непосредственно использовать этот курс некоторым читателям, проявляющим интерес к различным и новым отраслям знаний.

Книга обобщает результаты многообразной и часто достаточно сложной проделанной работы. Мы признаем глубокое понимание и проникновение в суть явлений, проявленные многими учеными, что позволило в результате их коллективного труда достигнуть данного уровня развития этой отрасли знаний. Мы отмечаем также непосредственный вклад в конкретное содержание книги, сделанный д-ром Зафаром Куреши из Университета им. Дж. Гопкинса, который собрал и сформировал отдельные части содержания книги. Некоторые из нас использовали часть этого материала в лекционных курсах. Без сомнения, отклики, получаемые в течение ряда лет, помогли сделать более ясным и удобным для использования изложение большей части материала книги.

Авторы благодарны за сотрудничество и существенную поддержку университету шт. Пенсильвания и Фонду Сэмюэла Лэн-диса Гейбела, основанному Ричардом Гейбелом, президентом фирмы Superior Tube, мы также выражаем признательность университету Рутгерса, фирме AT&T, Техническому исследовательскому центру в Принстоне (шт. Нью-Джерси), корпорации IBM в Эндикоте (шт. Нью-Йорк). Мы благодарим также многочисленных помощников, в совершенстве выполнявших техническую канцелярскую работу в течение нескольких лет подготовки рукописи. Большое значение для каждого из нас имели терпение членов наших семей и наших близких. Долгие часы нашего отсутствия, связанные с нашей работой и консультациями, встречены ими с пониманием и благородством.

Бенджамин Гебхарт
Йогеш Джалурия
Руп Л. Махаджан
Багат Саммакия


1) Строго говоря, авторы называют внешнюю среду протяженной или средой большой (достаточной) протяженности. Не в ущерб строгости будем называть внешнюю среду неограниченной, как это принято в отечественной литературе. — Прим. перев.

2) Метаболическая теплота выделяется в результате реакций, возникающих при обмене веществ в живых организмах. — Прим. перев.


Назад, на страницу описания