Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Среди других задач внешнего обтекания наибольший интерес представляет теплоотдача поверечно обтекаеыого цилиндра (трубы). Возможны различные режимы обтекания цилиндрической поверхности. Вблизи передней критической точки (линии) образуется ламинарный пограничный слой, толщина которого увеличивается по мере увеличения угла гр (рис. 8.1).
При Ке=и г(/т(5 имеет место безотрывное обтекание цилиндра. При Ке)5 наблюдается отрыв пограничного слоя, обусловленный диффузорным характером течения теплоносителя в кормовой части цилиндра. Отрыв потока приводит к образованию двух симметричных вихрей около кормовой части цилиндра. При ламинарном пограничном слое отрыв потока наблюдается прн гр=82', а для турбулентного пограничного слоя при гр= 110 ... 140".
Турбулентный пограничный слой возникает при Ке=10а...4Х Х 1Оа. Изменение коэффициента тепло- отдачи по поверхности зависит от режима обтекания цилиндра. При Р .82 йа йа аа аа а,е аг аа Га аа Иа Иа (а' Рис. 8.2 ламинарном пограничном слое местный коэффициент теплоотдачи изменяется при изменении <р по кривой с минимумом (пунктирная линия на рис. 8.2; здесь а — средний по окружности коэффициент теплоотдачи). Уменьшение коэффициента теплоотдачи на лобовой части цилиндРа обУсловлено Увеличением толщины ламинарного пограничного слоя, а последующее нарастание а — разрушением пограничного слоя из-за отрыва потока.
При турбулентном пограничном слое (сплошная линия на рис. 8.2) первое увеличение коэффициента теплоотдачи обусловлено переходом ламинарного пограничного слоя в турбулентг(ый, а второе — отрывом потока. Расчетные соотношения теплоотдачи для передней критической точки и всей лобовой поверхности до точки отрыва получены на основе теории пограничного слоя. Удовлетворительных подходов .для аналитического расчета теплоотдачи в зоне отрыва потока пока не найдено. Поэтому средний коэффициент теплоотдачи цилиндра при внешнем обтекании рассчитывается по формулам, полученным обобщением опытных данных.
Расчетная формула имеет вид %~, = сКеу Рту(Рг,/Рг )"', (8.1) где Ке=ш Ы/т; Мп=аН/Л. По данным А. А. Жукаускаса и других при Ке=5...10з с=0,5; т=0,5; в=0,38; при Ке=10з ... 2 10з с= =0,25; т=0,6; п=0,43. Если направление движения потока составляет с осью трубы угол ф, отличный от 90', то коэффициент теплоотдачи, определенный по формуле (8.1), надо умножить на поправку еэ, значение 'которой приводится в справочниках. При ф(90' величина еэ(1. Теплоот ача труб, составляющих т р у б н ы й п у ч о к, зависит от располо ения труб в пучке, а также от номера ряда, в котором труба аходится. При шахматном расположении труб тепло- носитель пе емешивается лучше и теплообмен протекает более интенсивно.
Первый ряд труб омывается невозмущенным потоком жидкости и потому этот ряд имеет наименьший коэффициент теплоотдачи. В последующих рядах труб теплоотдача протекает более интенсивно, но с достаточной для практики точностью можно считать, что третий и последующий ряды труб имеют одинаковый средний коэффициент теплоотдачи.
Если в качестве определяющего размера выбрать диаметр трубы, а число Ке подсчитывать по скорости в наиболее узком сечении пучка (в сечении, где расположены трубы), то независимо от Расстояния между трубами коэффициент теплоотдачи третьего и последующего рядов труб можно определять по уравнению (8.1), коэффициенты которого приводятся в справочной литературе. Коэффициенты теплоотдачи первого и второго рядов подсчитываются по величинам а, найденным по формуле (8.1), с введением попра- 325 аок.
При фчь90 осредненный по рядам коэффициент теплоотдачи корректируется с помощью поправки ее. Форма поперечного сечения обтекаемого тела существенно вли. яет на закономерности теплоотдачи. Уравнения подобия для рас. чета среднего коэффициента теплоотдачи при поперечном обтека. нии призматических тел некруглого сечения приводятся в сира.
ночной литературе 1111. $8.2. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ТЕЧЕНИИ ЖИДКОСТИ В ТРУБАХ И КАНАЛАХ На внутренней поаерхностн трубы, через которую течет жидкость, образуется динамический пограничный слой, который может иметь лампнарный или турбулентный характер. На рис. 8.3 показана картина формирования турбулентного пограничного слоя.
На некотором расстоянии от входа пограничные слои смыкаются и после этого в поперечном сечении устанавливается стабильное распределение скоростей, которое при ламинарном потоке имеет параболический характер; при турбулентном потоке распределение скоростей зависит от критерия тче. Расстояние от входа в трубу — — или канал до сечения, в котором — — динамические пограничные слои = = = — смыкаются, называется гидродина- мическим начальным участком или — — — г — — участком гидродинамической стаби- лизации.
Годрооонамочосной Аналогично развивается теплоночольньш учааоок вой пограничный слой. Участок от рн.. Е.з начала трубы до смыкания тепло- вых пограничных слоев называется тепловым начальным участком. Режим течения жидкости в трубе зависит от критерия тче= =шй/и, где го — средняя по сечению трубы скорость жидкости; й †диаме трубы. При Ке(2 10з наблюдается ламинарное течение жидкости. Однако при большом температурном напоре в поперечном сечении ламинарного потока может возникнуть свободное движение, обусловленное гравитационными силами. Поэтому среди неизотермических ламинарных потоков различают вязкостный и внзкостно-гравитационный режимы течения. В первом случае силы вязкости превалируют над силами гравитации и свободное движение не возникает.
Во втором случае свободное движение искажает структуру вынужденного потока. При тче~10ч поток становится турбулентным, но в начале трубы по-прежнему сохраняется участок с ламинарным пограничным 32б оем. При Ке)1,5 10и турбулентный пограничный слой начи„ает формироваться практически с начала трубы. При Ке=2 10и ... 104 наблюдается переходный режим течения и теплообмена. Изменение толщины и структуры пограничного слоя определяет изменение коэффициента теплоотдачи по длине трубы.
На рис. 84,а показано изменение местного а и среднего а коэффициентов теплоотдачи при одинаковой по всей длине структуре пограничного слоя. и) На рис. 8.4, б показано изменение среднего н местного коэффициентов теплоотдачи по длине трубы, в начале а которой наб,зюдается ламинарный пограничный спой, переходящий затем в Й 'турбулентный. При, получении расчетных соотно- Ф шений для теплоотдачи в трубах используется теоретический и эксперн- В ментальный методы. Теплоотдачу на начальном участке с достаточной точностью можно рассчитывать по формулам для обтека- м ния пластины с учетом изменения скорости потока на внешней границе Ф пограничного слоя.
Благодаря ограничению потока стенками трубы умень- к шение скорости движения жидкости в Рва 8.4 пограничном слое приводит к увеличению скорости жидкости за пределами пограничного слоя. Из условия посто истаа расхода несжимаемой жидкости следует, что 2 го — и ( та гбг, (8.2) 0 где ис — скорость жидкости на входе в трубу (одинаковая для всего сечения); ш =1(х, г); г и ги — текущий радиус и радиус внутренней поверхности трубы. Из (8.2) следует, что (8.3) шс ! — 2Ь~/ги Толщина вытеснения для круглой трубы определяется формулой (8.4) 327 Длина теплового начального участка 1„, при ламинарном те. чении жидкости зависит от граничных условий теплообмена на поверхности трубы.
Аналитическое исследование развития потока показывает, что при 1 =сопз1 1„,!Ы = 0,055Ре, (8.5) при д =сопя( 1„,/Ы = 0,07Ке, (8.6) имеет вид ~!и=1,55 ~ — ) (8.8) За пределами теплового начального участка местные коэффициенты теплоотдачи определяются теоретическими формулами: при 1„=сопз1 Ип=3,66, при д„=сопз1 Ып=4,36. Аналитические решения получены для квазиизотермических условий. Экспериментальное исследование теплоотдачи капельных жидкостей при вязкостном режиме в неизотермических условиях показало, что формулы (8.7) и (8.8) могут быть использованы и при значительной неизотермичности, если в правую часть этих формул ввести поправку е,=(1е>/1е )' '4.
В качестве определяющей в этом случае используется температура 1 . Имеются также решения для теплоотдачи при вязкостном течении при д =сопз1 и г(„=чаг 116]. Ламинарное неизотермическое течение не нарушается гравитализ ционной конвекцией приКа= — РЫРг(8 10е 1здесь Ы=1е— е2 — 1; 1е — температура жидкости на входе в трубу; определяющая 328 где Ре=Ке Рг — число Пекле, а Ке=Вд/т. Для капельных жидкостей (Рг)1) тепловой начальный участок может иметь значительную длину и часто превышает длину трубы, для которой выполняется расчет.
Для теплоотдачи на начальном участке трубы при в я з ко с тном режиме течения расчетные формулы получены аналитическим путем. Результаты точного аналитического решения для мест- 1 х ного коэффициента теплоотдачн при 1 = — сопз1 и — — (0,01 Ре е аппроксимнруются формулой 1)п=1,03( — ) Ре е (8.7) Для средних коэффициентов теплоотдачи, вычисляемых по среднему логарифмическому температурному напору, формула, 1 '1 аппроксимирующая аналитическое решение при — (0,05, Ре температура /= (/з + 1 )/2).
При больших значениях числа Ка течение становится вязкостно-гравитационным. При вязкостно-гра вита цио ином течении влияние массовых сил на теплоотдачу зависит от положения трубы в пространстве. При горизонтальном положении трубы в ее поперечном сечении под действием массовых сил возникает парный вихрь, интенсифицирующий теплоотдачу. Расчетные формулы для этого режима получены на основании опытных исследований. Для стах билизированного квазиизотермического течения ( ) Ре Ы >1,7 10 з) Б.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
