Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Количественные соотношения для коэффициента теплоотдачи при вдувании газа через поверхность теплообмена зависят прежде всего от структуры пограничного слоя и физических свойств вдуваемого и основного потоков газа. Обработка результатов численного анализа теплоотдачи плоской пластины в условиях подвода инородного газа в ламинарный пограничный слой, полученных Гроссом, Хартнетом и др. при использовании различных видов газов-охладителей, позволила получить следующую связь коэффициентов теплоотдачи при вдувании охладителя а и для непроницаемой стенки аз. из и, у рм Здесь гп, и Рпг — молярные массы охладителя и воздуха.
Величина р~ определяется по температуре стенки, величины р и т, входящие в число Ке„, — по средней температуре пограничного слоя Р,. В. Д. Совершенный получил решение рассматриваемой задачи для турбулентного пограничного слоя на пластине при одинаковой природе основного и вдуваемого газа на основе полуэмпнрической теории Прандтля и предположения о степенном законе для длины перемешнвання. Решение удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными.
Аппроксимация результатов этого решения позволила получить следующую расчетную формулу: е,= и =В,ехР~ — ' Ве) / ~1+ — В,ехР~ — )— Результаты экспериментального исследования теплоотдачн при вдувании в турбулентный пограничный слой воздушного потока 334 чной природы при Весна/ср1=0...30 и т1/т,=0,24... ли получить следующую формулу: газо 14,5 =ехР ~0,48Ве — Е7 — ~1 — 1,575!п~ — 7+0,89)]~. (8.23) 7 3 Вз Рис. 8.7 й 83. ВЛИЯНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ НА ТЕНЛООТДАЧУ Различают тепловую и тидродииамвческую нестациоиарность процесса. Тепловав нестацианарность состоит в том, что измеиается во времени температура 333 Здес рактеризует интенсивность теплоотдачи при вдувании с учетом отличия физических свойств вдуваемого газа от свойств газа в осйовном потоке.
Величина а этих отличий не учитывает и подсчитывается по формуле (8.22), Теоретические и экспериментальные исследования процессов теплоотдачи при подводе инородного газа в пограничный слой позволили выявить основные факторы, определяющие эффективность этого способа уменьшения интенсивности теплообмена.
Интенсивность теплоотдачи су- . щественно зависит от природы газа. т(з формул (8.21) и (8.23) видно, что уменьшение молярной массы охлад1чтеля при прочих равных р6 7 условиях ведет к уменьшению ко- ре эффицнента теплоотдачи. Это поло- 1 жение иллюстрируется графиками 47 (рис. 8.7), построенными по результатам опытного исследования теплоотдачи на пластине при турбулентном пограничном слое. Линия 7 соответствует вдуванию гелия в воздух, линия 2 в воздуха в воздух. Высокая эффективность использования легких газов для уменьшения интенсивности теплообмена обусловлена, главным образом, большей их теплоемкостью.
Влияние вдувания газа на интенсивность теплообмена зависит от структуры пограничного слоя. При ламинарном пограничном слое благодаря вдуванию интенсивность теплообмена снижается значительнее( чем при турбулентном пограничном слое. Рассмотр нные выше количественные соотношения относятся, главным об азом, к теплоотдаче при безнапорном обтекании пластины. Для ламинарного пограничного слоя градиент давления оказывает существенное влияние на интенсивность теплоотдачи при вдувании. Отрицательные градиенты давления при прочих равных условиях увеличивают поток теплоты к стенке, а положительные— уменьшают иртенсивность теплообмена. При турбулентном пограничном слое влияние градиента давления на интенсивность тепло- обмена менее существенно. стенки, температура теплоносителя иа входе в канал или плотность трплового потока на поверхности теплообмена; гндродинамическая иестадионардость со.
стоит в изменении во времени расхода теплоносителя через канал ил» его скорости при внешнем обтекании тела. При быстром изменении граничных условий температурные и скоростные поля не успевают прийти в соответствие/ с квази- стационарным состоянием системы; для турбулентных влечений изменяются также условия формирования турбулентных характеристик. Все это приводит к изменению интенсивности теплоотдачи. После резкого изменения граничных условий интенсивность теплоотдачи может увеличиваться или уменьшаться, причем отклонение интенсивности теплоотдачи от стационарных закономерностей может иметь место в течение периода времени от десятых долей до десятков секунд.
Такие условия теплообмена наблюдаются при запуске ракетных двигателей, при аварийном выключении ядерного реактора и т. д. Изменение температурных полей во времени зависит не только от процессов, протекающих в жидкости, но и от теплоемкости и термического соприкосновения стенки, с поверхностью которой взаимодействует поток. Поэтому строго задача о теплообмене в нестационарных условиях должна ставиться как сопряженная, при этом должна решаться система уравнений, состоящая из уравнения теплопроводности для стенки и уравнений энергии, движения и сплошности для теплоносителя; на границе соприкосновения теплоносителя со стенкой температура поверхности и плотность теплового потока для стенки и жидкости одинаковы. Решение сопряженных задач для нестационарного теплообмена связано с большими математическими трудностями.
Поэтому большое распространение получили исследования, в которых температура или плотность теплового потока на границе раздела теплоносителя и стенки считаются заданными, а влияние нестациоиарности на теплообмен оценивается по изменению коэффициента теплоотдачи. Влияние нестационарности на теплоотдачу исследуется теоре- ' тическим и экспериментальным путем.
При теоретическом исследовании часто привлекаются численные методы решения уравнений. При теоретическом исследовании теплоотдачи в турбулентных потоках не учитывается влияние нестационарности на формирование турбулентных характеристик, поэтому результаты теоретического анализа занижают степень влияния нестационарности на теплоотдачу. Анализ размерностей с привлечением физических представлений о влиянии нестационарности на коэффициент теплоотдачи позволил выявить ряд чисел подобия, отражающих это влияние. Так, при исследовании нестационарной теплоотдачи турбулентных потоков в трубах широко применяется следующая функциональная 336 зави мостги ' =У(Км, Ко, 1(е, Рг), (8.24) где аз, 'а — коэффициент теплоотдачи с учетом нестационарност — коэффициент теплоотдачи для квазистацнонарного состоя истемы, который рассчитывается по закономерностям стац ной теплоотдачи в каждый текущий момент времени; п(аг) лл Км= — ~ — число подобия, отражающее влияние теп- аГ1 ст а ловой нестцционарности на коэффициент теплоотдачи; Ж вЂ” температурный напор; Н вЂ” внутренний диаметр трубы; а — температуро- 1 йи дз проводность-, Ка= — — число подобия, отражаю- д7 х щее влияние гидродинамической нестационарности на коэффициент теплоотдачи; в — среднерасходная скорость жидкости; ч — кинематийеская вязкость.
Следует заметить, что при изменении расхода жидкости через канал (число Ко) изменяется и температура поверхности тепло- обмена (число К„). Значения чисел К„ и Ко могут быть положительными и отрицательными. Числа Ке и Рг входят в зависимость (8.24) потому, что они не в одинаковой мере влияют на нестациопарпую и стационарную теплоотдачу. Влияние неизотермичности на а и ао можно считать одинаковым. Опыты показывают, что увеличение числа Ке сопровождается уменьшением влияния нестационарности на коэффициент теплоотдачи, так как прн развитой турбулентности влияние нестационарности на характеристики переноса становится слабым.
При увеличении числа Рг влияние нестационарности на теплоотдачу также уменьшается. Например, при це=)бел и К,~=10 для воздуха е,= =1,2 ...1,3, а для воды (Рг=3 ...11) з,=!,06. С увеличением чисел Ке и Рг сокращается также продолжительность стабилизации процесса те лоотдачи. И. С. Ко енов и В. Ф. Фалий предложили зависимость (8.24) в форме (8.25) '~= 1+гвЛм+гвэКо где гп, и тх — функции чисел Ке и Рг. Функциональные зависимости т, (Ке, Рг) и гпх (це, Рг) изучены слабо. Для расчета коэффициента теплоотдачи при одновременном воздействии на поток тепловой н гидродинамической нестационарности функции т, и тэ в формуле (8.25) заменяют числовыми Коэффициентами, отражающими усредненные значения этих функций в диапазоне изменения чисел Ке и Рг, которые наблюдались в опытах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
