Глава IX. Особенности конвективного теплообмена в каналах (Под общ. ред. академика В.С.Авдуевского и проф. В.К.Кошкина - Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике), страница 5

Какие существуют способы интенсификации теплообмеиа в ка. папах? 4, Как влияет форма поперечного сечения канала на теплообмен и гидравлическое сопротивление в нем? ГЛАВА 1Х ОСОБЕННОСТИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ 9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ При внешнем обтекании пластины вязкой жидкостью ее взаимодействие с поверхностью пластины распространяется на определенную область потока, которую называют гидродинамическим пограничным слоем. В пограничном слое скорость изменяется от нуля на стенке до величины, близкой к скорости набегающего потока, на внешней границе пограничного слоя.

Толщина пограничного слоя растет по длине пластины. Дело в том, что изменение импульса ламинарного потока вследствие торможения у стенки передается вглубь со скоростью, пропорциональной коэффяциенгу кннематнческой вязкости ч. А так как поток сам движется вдоль стенки с определенной скоростью, то более удаленные от стенки слои воспринимают это изменение, пройдя больший путь вдоль стенки, чем близко расположенные слои. Поэтому толщина пограничного слоя растет по длине тем быстрее, чем больше кинематическая вязкость ч и чем меньше скорость течения потока. Турбулентный аналог кинематической вязкости е„называемой коэффициентом турбулентного переноса импульса, много больше чем ч, что определяет более быстрый рост толщины турбулентного пограничного слоя, чем ламинарного. При течении гидродинамический пограничный слой зо входной части трубы растет кольцеобразно по всей поверхности трубы.

На некотором удалении от входа пограничные слои смыкаются и все сечение потока как бы становится пограничным слоем. Это означает, что в каждой его точке, кроме оси потока, производная скорости по радиусу трубы отлична от нуля. Расстояние от входа, на котором происходит смывание пограничных слоев, называется участком гидродинамической стабилизации. В отличие от пластины, в трубе на начальном участке поток вне пограничного слоя ускоряется, так как в пограничном слое он тормозится. В трубе смыкание пограничных слоев происходит на оси канала з конце участка стабилизации. В каналах некруглов формы смыкание пограничных слоев происходит постепенно на всей длине участка стабилизации и начинается с углов канала.

Зто значительно усложняет картину течения. Если температура стенки отличается от температуры потока, то между ними возникает теплообмен. Однако поле температур в потоке возникает не сразу; оно, так же как и голе скоростей, формируется на определенной длине канала. Прогрев жидкости по нормали к стенке происходит с конечной скоростью, пропорциональной коэффициенту температуропроводности а в ламинарном потоке и коэффициенту турбулентного переноса тепла гч в турбулентном. Так как жвдкость движется, то по аналогии с гидродинамическим пограничным слоем возникает тепловой пограничный слой. Длина входного участка канала, на котором происходит смыкание тепловых пограничных слоев, называется участком тепловой стабилизации.

Толщины гидродинамического и теплового пограничных слоев, так же как н участки гндродинамическон и тепловой стабилизации, обычно не совпадают, даже если они начинаются в одном сечении. Обычно ч ~ а илн, другими словами, число Прзндтля Рг = эта ~ 1; то же самое имеет место и при турбулентном течении, так как турбулентный аналог числа Прандтля, называемый тУРбУлентиым числом ПРандтлЯ Ргт = зтУзч, обычно отличаетсЯ от единицы. В силу этих особенностей начальных участков теплообмен и гидродинамика на них существенно отличаются от теплообмена в области гидродинамической и тепловой стабилизации течения в каналах.

220 .