Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 55

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 55)

Система неявных конечно-разностных уравнений абсолютно устойчива, поэтому выбор шага сетки и величины Лт делается из условия допустимой погрешности, обусловленной аппроксимацией членов дифференциального уравнения отношениями конечных разностей. ГЛАВА 5 ТЕПЛООТДАЧА И МЕТОДЫ ЕЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Интенсивность теплоотдачи зависит от гндродинамических характеристик процесса обтекания теплоносителем поверхности те. ла, формы и геометрии тела, физических свойств теплоносителя и других факторов.

Поэтому известно много разновидностей этого процесса и способов его исследования. 290 й 5.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯВЛЕНИЯ ТЕПЛООТДАЧИ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ФОРМУЛ ДЛЯ ЕЕ РАСЧЕТА Механизм процесса теплообмена между поверхностью тела и движущимси около нее теплоносителем !механизм теплоотдачи) определаетса гндродинамнческим взаимодействием среды с поверхностью и свойствами среды. На поверхности, омываемой теплоносителем, можно выделить пристенную область, в пределах которой наблюдается существенное изменение продольной скорости,— это динамический пограничный слой. За пределами динамического пограничного слоя изменением продольной скорости можно пренебречь.

На начальном участке поверхности образуется ламинарный пограничный слой, толщина которого увеличивается по мере удаления от места начала его формирования !рис. 5.1). В ламинарном пограничном слое теплота передается в основном теплопроводностью, но благодаря перестроению профиля продольной составляющей скорости по дли- у Рис. 52 Рис. 5.! не омываемой стенки в потоке возникает нормальная составляю1цая скорости, а следовательно, и конвективный перенос теплоты.

Жидкости и газы имеют небольшую теплопроводность, поэтому ламинарная часть потока теплоносителя создает большое термическое сопротивление потоку теплоты. Увеличение толщины ламинарного слоя приводит к уменьшению его устойчивости и на расстоянии от входа хкр ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный. При этом у поверхности стенки образуется вязкий поделай. Переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный сопровождается изменением интенсивности теплоотдачи.

Вязкий подслой значительно тоньше ламинарного пограничного слоя, а в турбулентной части пограничного слоя решающую роль играет конвективный перенос теплоты. Поэтому интенсивность теплоотдачн при турбулентном пограничном слое значительно выше, чем при ламинарном. На рис. 5.2 изображено температурное поле в жидкости при теплоотдаче, когда пограничный слой имеет турбулентный характер. Резкое изменение температуры в вязком под10а 291! слое свидетельствует о большом термическом сопротивлении этой части потока.

В турбулентной части потока наблюдается слабое изменение температуры по толщине слоя жидкости. Толщина пограничного слоя и его структура зависят от скорости потока относительно поверхности теплообмена, поэтому от этой скорости существенно зависит интенсивность теплоотдачи, При прочих равных условиях увеличение скорости за пределами динамического пограничного слоя или средней скорости движения теплоносителя в канале ведет к уменьшению толщины пограничного слоя, создает более благоприятные условия для возникновения турбулентности и тем самым способствует повышению интенсивности теплоотдачи.

Интенсивность теплоотдачи зависит также от физических свойств теплоносителя. Теплопроводность жидкости влияет на термическое сопротивление ламинарной части потока жидкости. Вязкость жидкости оказывает влияние на толщину пограничного слоя и на условия перемешивания жидкости. При прочих равных условиях в более вязкой жидкости образуется более толстый пограничный слой, а условия перемешивания становятся менее благоприятными.

Поэтому в вязких жидкостях теплоотдача протекает менее интенсивно. Плотность теплоносителя также влияет на условия формирования пограничного слоя. Уменьшение плотности газа (например, воздуха с увеличением высоты полета) ведет к увеличению коэффициента кинематической вязкости, благодаря чему увеличивается толщина пограничного слоя. Поэтому уменьшение плотности газа ведет к уменьшению интенсивности теплоотдачи. Теплоемкость жидкости влияет на интенсивность конвективного переноса теплоты. При одинаковых условиях перемешивания жидкость с большей теплоемкостью переносит больше теплоты, поэтому интенсивность теплоотдачи также возрастает. Движение теплоносителя относительно стенки может быть вызвано внешними силами давления илн неоднородным полем массовых сил — гравитационных, инерционных, магнитных и др.

Поля массовых сил вызывают образование в потоке вихревых структур, изменяют условия возникновения турбулентности, изменяют уровень турбулентности и потому влияют на интенсивность теплоотдачи. Степень влияния массовых сил на характеристики движения теплоносителя н его теплообмена с поверхносгью зависит от ускорения, определяющего массовую силу, н характера его изменения в системе, а также от коэффициента объемного расширения и температурного поля, которые определяют диапазон изменения плотности. Важную роль в процессе теплоотдачи играет форма обтекаемой поверхности. Так, при внешнем обтекании форма продольного сечения тела в значительной мере определяет условия формн- 292 рования пограничного слоя.

Удобообтекаемые тела имеют значительную поверхность, покрытую ламинарным пограничным слоем, я, следовательно, неблагоприятные условия для теплообмена. Плавный вход в канал способствует увеличению длины участка с ламинарным пограничным слоем и уменьшению интенсивности теплоотдачи на начальном участке. Уменьшением толщины газовой прослойки можно уменьшить интенсивность свободной конвекции или вообще исключить возможность ее возникновения. Расчетные методы интенсивности теплоотдачи разрабатываются в основном для стационарных условий.

Расчет интенсивности теплоотдачи в медленно изменяющихся процессах также может выполняться на основе закономерностей стационарной теплоотдачи: в каждый момент времени теплоотдача рассчитывается с учетом фактического состояния системы (квазистационарное состояние системы). В быстро протекающих процессах резкое изменение тепловой нагрузки, расхода или начальной температуры теплоносителя приводит к изменению интенсивности теплообмена, обусловленному нестационарностью процесса, так как в этом случае скоростные и температурные поля не успевают прийти в соответствие с основными характеристиками системы и отличаются от квазистационарных полей, а изменение градиента скорости во времени приводит к изменению уровня турбулентности.

Заметное влияние на интенсивность теплоотдачи может оказать внешняя турбулентность, так как от уровня внешней турбулентности зависят условия перехода ламинарного течения в турбулентное и уровень турбулентности в турбулентном пограничном слое. Дополнительные факторы, усложняющие явление теплоотдачи и изменяющие его интенсивность, появляются при использовании теплоносителей, в которых имеют место химические реакции или фазовые переходы и другие специфические условия. Тепловой поток при теплоотдаче определяется формулой Ньютона (1.10), но эта формула не отражает в явном виде влияние всего многообразия факторов на интенсивность теплоотдачи: все эти факторы должны учитываться коэффициентом теплоотдачи.

Температуры потока и стенки входят в формулу Ньютона в явном виде, но они влияют и на коэффициенты теплоотдачи, так как от них зависят физические свойства теплоносителя и диапазон их изменения. Таким образом, коэффициент теплоотдачи зависит от скорости потока, теплопроводности, вязкости и объемного расширения, плотности, удельной теплоемкости, ускорения, определяющего массовую силу, формы и размеров тела, нестационарности, внешней турбулентности, неизотермичности и других факторов.

Большое число факторов, влияющих на коэффициент теплоотдачи, затрудняет получение расчетных соотношений для его определения. Для облегчения понимания методов получения расчет- ных соотношений они рассматриваются сначала для наиболее простых явлений теплоотдачи, а затем вводятся дополнительные факторы, изменяющие интенсивность теплоотдачи.

Система дифференциальных уравнений, описывающая процесс теплоотдачи (см. $2.5, часть П), решена аналитическим путем для ряда простейших задач, несколько более широкий круг задач решен численными методами. Однако рассмотренная выше система дифференциальных уравнений для теплоотдачи оказывается замкнутой только для ламинарного течения. При турбулентном течении для замыкания системы дифференциальных уравнений необходимо сформулировать дополнительные уравнения, отражающие связь пульсационных и осредненных характеристик потока.

Характеристики

Список файлов книги