Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 62
Текст из файла (страница 62)
С. Петухов и А. Ф. Поляков предложили формулу Ыц =4,36~1+( У ) ~ ' (8.9) где Ка =рад (3/(таЛ). М. А. Михеев обработал опытные данные по средней теплоотдаче'при вязкостно-гравитационном течении с учетом неизотермичности: — ''Р '"Ж Р )' (Р /Р )ди (~~~) где ес — поправка на длину трубы; при //д(50 ег>1 (значение приводится в справочной литературе); при //д>50 а~=1. Для приближенных расчетов формулу (8.10) можно использовать и для каналов некруглого сечения. При этом в качестве определяющего размера выбирается эквивалентный диаметр канала и',=4//и, где / — площадь поперечного сечения канала; и— его периметр. При ламинарном течении шероховатость стенки не оказывает существенно о влияния на интенсивность теплоотдачи.
Для турбулентного течения (це>104) длина теплового начального участк~, на котором изменяется местный коэффициент тепло отдачи, составляет (10 ... 15)д, а средний коэффициент теплоотдачи изменяется на длине -500. Расчетные соотношения для теплоотдачи в трубе при турбулентном течении жидкости получены на основе полуэмпирической теории турбулентного пограничного слоя и на основе экспериментальных исследований.
Экспериментальное исследование структуры стабилизированного (за пределами начального участка) турбулентного потока показывает, что при Рг(20 распределение скоростей в поперечном сечении трубы удовлетворительно описывается уравнениями (7.20), (7.25), (7.26), полученными для плоской пластины и больших чисел Ке. При больших числах Рг используются более сложные уравнения распределения скоростей, например формула Рейхардта.
Эта формула и определенные предпосылки об изменении напряжения тРения по радиусу трубы позволили Б. С. Петухову и В. В. Ки- 329 риллову предложить для теплоотдачи квазнизотермического ста билизированного турбулентного потока в трубе формулу 0,023йе~жвг (8.11) 14йе — ап(пг /а 1) которая удовлетворительно описывает опытные данные при Рг= =0,5 ... 200. Формула (8.11) может быть использована и для расчета теп.
лоотдачи капельной жидкости прн существенной неизотермичностн, если в нее ввести поправку е,= (цг/р )", где п=.0,11 при нагревании и п=0,25 при охлаждении жидкости. В качестве определяющей при этом надо использовать температуру Гь Для расчета средних коэффициентов теплоотдачи при турбулентном течении М. А. Михеев предложил формулу, полученную обобщением опытных данных при Кег=10' ... 5 10' и Рта=0,6 ... 2500: Ыыг — — 0,021Кеу' Ргг' '(Ргг/Рг„) ' зь (8.1 2) где щ — поправка на длину трубы.
При 1/с/)50 в~=1, а при 1/с(( (50 е~) 1; числовое значение поправки, зависящее от Кеь приводится в справочной литературе. Форма поперечного сечения канала влияет на закономерность теплоотдачи при турбулентном течении. Однако для приближенных расчетов этим влиянием можно пренебречь и определять коэффициент теплоотдачи по формуле (8.12) с использованием в качестве определяющего размера эквивалентного диаметра.
Для кольцевого канала эта формула дает удовлетворительные результаты при д/4=1 ... 56, для щелевого — при а/5=1 ...40. Для газов в широком диапазоне изменения температур Рг= -сопз(. Поэтому для конкретных газов формулу (8.12) можно упростить. Например, для воздуха она приводится к виду ыц =0 018Яеоув (8.13) Шероховатость поверхности труб и каналов способствует увеличению коэффициента теплоотдачи, но этот фактор проявляется только тогда, когда высота бугорков больше толщины вязкого подслоя.
Расплавленные металлы и сильно ионизированные газы имеют число Рг«1. В этом случае молекулярная теплопроводность становится сопоставимой с коэффициентом турбулентного переноса теплоты. При переходном, режиме течения (Ке=2.10з ... 104) поток весьма неустойчив и его состояние в сильной мере зависит от возмущений, 'которым он подвергается до входа в канал.
Поэтому на переходном режиме надежно можно рассчитать только возможные пределы изменения коэффициента теплоотдачи: верхний предел 330 определяется закономерностью теплоотдачи при турбулентном те- чении, нижний — при вязкостном ламинарном течении. ач 3.3. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ НА ТЕНЛООТДАЧУ Естественная турбулентность потока, которой он обладает до начала взаимодействия с поверхностью теплообмена, характеризуется обычно значением Та (0,01; такой уровень внешней турбулентности не оказывает заметного влияния на интенсивность теплоотдачи. Однако в некоторых технических устройствах наблюдается более высокий уровень турбулентности.
Например, за камерой сгорания газовой турбины возможно значение То=0,2. Иногда этот уровень искусственно увеличивают с целью интенсификации процессов тепло- и иассообмена. С помощью турбулизирующих решеток можно получить Тц ° 0,3 ...0,4 и больше. Внешняя турбулентность влияет на характер развития и структуру пограничного слоя. Проникновение внешних возмущений в пограничный слой приводит к более ранней потере устойчивости ламннарным пограничным слоем и формированию турбулентного пограничного слоя. Возмущения, проникающие в ламинарный пограничный слой, гасятся ламинарным потоком.
При безнапорном течении эти возмущения не оказьвают заметного влияния на теплоотдачу, но при наличии продольного градиента давления это влияние может быть существенным. В переходной части пограничного слоя внешняя турбулентность приводит к интенсификации теплоотдачи, а в турбулентной части этого влияния не обнаружено вплоть до степени турбулентности на входе в канал Тпо=0,37. При натекании осесимметричной струи на пластину увеличение интенсивности теплоотдачн, обусловленное повышенной турбулентностью потока, можно рассчитать по формуле, полученной Е. П. Дыбаном и А. И. Мазуром с помощью опытов на воздухе при гсе= (2 ... 9) 104 (подсчитывается по параметрам сопла) и Тп =0,09...0, (подсчитывается по продольным скоростям на оси струи): ет.— — 1+3,06 10 — т(Тп-Кео з) — 3 71 10 4(Тп йео з)т (8.14) где етн — соотношение коэффициентов теплоотдачи при наличии внешней турбулентности и без нее.
Аналогичная формула предложена Кестином и Вудом для теплоотдачи вблизи передней критической точки при обтекании цилиндра воздухом: ет — — 1+368 10 з(Тп гхее,з) 422.10 ч(Тп йее,в)з (815) Число Ке определяется здесь по диаметру цилиндра. Внешняя турбулентность влияет на положение точки отрыва потока от поверхности обтекаемого цилиндра.
При увеличении Тп от 0,005 до 0,23 наблюдалось увеличение угла отрыва потока от 81 до 88'. Увеличение средней теплоотдачи по данным Е. П. Ды- 331 бана и других исследователей (КеТц<10', Тп<0,14) определя ется формулой ат =1+0 09ЯеТп )о,в (8.16) Здесь число Ке определяется по диаметру-цилиндра. й 8.4. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ПОДВОДЕ ИНОРОДНОГО ГАЗА В ПОГРАНИЧНЫИ СЛОИ В системе пористого охлаждения * газ-охладитель продуваетси через пори. етую стенку и выходит на поверхность, омываемую горичим потоком газа. Поперечный поток охладителя на поверхности соприкосновения горячего газа со стенкой (рис.
8.5) изменяет условия течения в пограничном слое. Вытекающий из пор охладитель уменьшает скорость движения горячего газа вблизи стенки и оттесняет от стенки пограничный слой. Поэтому увеличивается толщина динамического пограничного слоя (рис. 8.6, а). Уменьшение градиента скорости у поверхности стенки приводит к уменьшению напряжения трения. Экспериментальное исследо- вание турбулентной структуры ргладиагель пограничного слоя показывает, что в непосредственной близости Рис. 8.6 от стенки вдувание газа приводит к гашению турбулентности, при этом с увеличением расхода вдуваемого газа максимум Тн сдвигается к внешней границе пограничного слоя, а по значению превышает Тцю,„для непроницаемой поверхности. Подвод инородного газа к поверхности теплообмена ведет к уменьшению устойчивости ламинарного слоя и потому переход к Рис. 8.6 ь Система пористого охлаждения будет рассмотрена в гл.
17. 332 турбулентному пограничному слою происходит при меньших значениях числа Ке. При подводе охладителя к поверхности теплообмена увеличивается также толщина теплового пограничного слоя и температурное поле приобретает вид, показанный на рис. 8.6, б. Температурный градиент около поверхности стенки уменьшается, соответственно уменьшается и интенсивность теплоотдачи. Изменение интенсивности теплообмена при подводе инородного газа в пограничный слой зависит от плотности потока массы этого газа (я, кг/(м'с)]. С увеличением плотности потока массы охладителя интенсивность теплообмена уменьшается.
При большой плотности возможна практически полная тепловая изоляция горячего потока от поверхности теплообмена. Явление теплоотдачи при подводе инородного газа в пограничный слой описывается системой дифференциальных уравнений, в которую кроме уравнений движения, сплошности, теплоотдачи и энергии входит уравнение массообмена. Граничные условия для этой задачи также имеют особенности. При вдувании газа в пограничный слой скорость ш„ (по нормали к стенке) отличается от нуля. Она равна скорости охладителя о, подсчитанной в предположении равномерного распределения массового потока охлаждающего газа по поверхности теплообмена.
Уравнения, описывающие теплоотдачу при вдувании газа в пограничный слой, решаются численными методами, а после приведения их к интегральной форме — полуэмпирическими методами. Это явление исследуется также экспериментальным путем. Анализ системы дифференциальных уравнений и граничных условий методами теории подобия позволяет заключить, что для вынужденного движения газа влияние поперечного потока вещества отражается в уравнении подобия следующими безразмерными комплексами: ту Срр > тв срв где 1 — опре еляющий размер; т, и тг — молярные массы охладителя и горячего газа; ср, и ср~ — удельные теплоемкости охладителя и горячего газа.
Параметрические числа подобия ш~/и, и ср,/срг отражают разницу в свойствах основного и вдуваемого потоков газа. Учитывая, что теплоемкость газа зависит от его молярной массы, при обобщении опытных данных по теплообмену для различных пар компонентов иногда используется только первое из этих чисел подобия.
Для ламинарного пограничного слоя вместо числа К часто используется число К/) р Ке„. Так как йт Ре~ (8.17) ЗЗЗ то К К вЂ” Р~я~ = — )Г Ке„= — У йе (8.18) У йе. Ке» Рю Для турбулентного пограничного слоя вместо числа К используется число К/йе: (8.19) Кем Рм Кроме того, используются числа ВР и В, которые часто называют параметрами проницаемости: (8.20) БРо Рм' БР Рм Число Я включает в себя коэффициент теплоотдачи при вдувании газа в пограничный слой, а число ЗРз — коэффициент тепло- отдачи без вдувания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
