Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 73
Текст из файла (страница 73)
Поэтому интенсификация теплоотдачи при выпадении частиц на стенку обусловлена главным образом возмущениями, которые частицы вносят в пристенную область. Из рис. 1!.5 видно, что наблюдается удовлетворительное соответствие плотности потока инерционно выпадающих на стенку частиц' и интенсификации теплоотдачи, обусловленной присутствием в потоке конденсированных частиц. Анализ опытных данных по теплоотдаче дисперсных потоков в соплах показывает, что при инерционном выпадении частиц на поверхность теплообмена нх интенсифнцирующее влияние на теплоотдачу начинается при значительно меньших значениях р, чем в каналах постоянного сечения.
Так, в описанных выше опытах прн р=0,18 наблюдалось увеличение коэффициента теплоотдачи, обусловленное присутствием частиц, на 30%, а при р=0,5 — на 90э/о, тогда как в трубах интенсификация теплоотдачн наблюдается только при 5>5. Дифференциальное уравнение движения газовой среды дисперсного потока наряду с внешними силами давления, массовыми силами и силами вязкости включает силу г„с которой конденсированные частицы воздействуют на единицу объема газа. Поэтому из уравнения движения получается д о п о л н и т е л ь н о е ч и ело подобия, характеризующее влияние частиц на газовый поток: К,= (11.47) Гг '„ Обобщение описанных выше опытных данных на основе числа подобия К, н комплекса р„с,/ср„(с,— удельная теплоемкость вещества частиц; ср, — удельная теплоемкость газа; !! — местное соотношение массовых расходов частиц и газа), отражающего влияние физических свойств частиц и газа на интенсивность теплоотдачн, позволило получить уравнение подобия .,= — '=1+1,2 !0 Ь вЂ” "1'л К;-.
(!1.48) ао ррг г Это уравнение обобщает опытные данные прн К,= (0,25 ... .. 2) 10-4 и р„с,/ср„— — 0,1 ... 0,5; оно не включает число Ке в связи ЗВ! с тем, что опыты выполнены в узком диапазоне его изменения (Ее=те,ха„/ч=10з ... 1,1.10'). Опыты проведены с использованием полидисперсных систем, поэтому число К, и местное соотношение массовых расходов подсчитывались по формулам К,= ~~~, "Р.Ф,уЛр,пр); 1 = р р,унт.у/(р,чв,), / 1 у-1 где 1' — номер фракции (все частицы подразделены на несколько фракций, в каждой нз которых средний размер частицы характеризуется средним диаметром д„); рн — плотность дисперсного потока с учетом только частиц 1-й фракции; тв„— скорость частиц 1'-й фракции.
Пленка конденсата, которая может образовываться при выпадении жидких частиц, также существенно влияет на теплообмен дисперсного потока с поверхностью сопла. Расчеты показывают, что изменение толщины пленки по длине сопла определяется главным образом распределением плотности потока инерционно осаждающихся частиц на стенку. Пленка существенно снижает теплообмен дисперсного потока со стенками сопла, а результирующая плотность теплового потока может оказаться даже меньше, чем при теплоотдаче газового потока без частиц. ГЛАВА !2 ТЕНЛООТДАЧА В РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗАХ Необходимость исследования теплоотдачи в условиях разреженного газа диктуется развитием многих отраслей техники.
Значительный интерес эта проблема представляет для ракетной техники„техники эксперимента, металлургии. Здесь будет рассмотрено, главным образом, явление теплоотдачи при внешнем обтекании тел разреженным потоком газа. 5 !2Л. ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА В РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗАХ Взаимодействие поверхности теплообмена с потоками жидкости или достаточно плотного газа рассматривается на основе представлений о теплоноситезе как о сплошной среде — континууме. Особенность разреженных потоков газа состоит в том, что механизм их взаимодействия с поверхностями твердых тел можно объяснить только с учетом молекулярного строения газа. Поэтому коли. чественные характеристики этого взаимодействия устанавливаютсп нз основе молекулярно-кинетической теории газов.
Расстояние, которое проходит молекула между соударениями~ называют длиной свободного пробега. Это расстояние различно у разных молекул и у одной и той же молекулы в разные моменты времени. Важной характеристикой совокупности молекул, состав ляющих поток, является средняя длина свободного пробега, кото 382 ая увеличивается при уменьшении давления и увеличении темпе«туры газа. Когда средняя длина свободного пробега молекул мест одинаковый порядок с размерами тела, газ называют раз«в«сенным, Движение молекул газа после соударення может иметь раз«ичный характер. Возможны две крайние модели отражения мо«екул — зеркальная и диффузная. При зеркальном отражении угол етражения молекулы определяется углом ее подхода к стенке, при этом энергообмена между молекулами и стенкой не происходит.
11ри диффузном отражении благодаря шероховатости стенки или адсорбированным на ее поверхности газовым молекулам происходят многократные контакты подлетающих молекул с поверхностью стенки, благодаря чему происходит полный энергообмен, и кинетическая энергия молекул приходит в полное соответствие с температурой стенки. При этом отлетающие молекулы симметрично рассеиваются по всем направлениям полусферы. Кнудсен предложил оценивать полноту обмена энергией газовых молекул со стенкой коэффициентом аккомодации, определив его как отношение энергии, переданной молекулами разреженного газа стенке, к энергии, которую они передали бы при условии, что при соударении со стенкой скорость вынужденного движения стала бы равной нулю, а скорость теплового движеиия пришла в соответствие с температурой стенки.
Коэффициент аккомодации выражается формулой ~пал от« (12.1) впал Пст где Е„,я и Е„р — энергия падающих и отраженных от стенки молекул; ń— энергия молекул при температуре стенки. При зеркальном отражении энергия молекулы в процессе соударения не изменяется и потому а=0. При полном энергообмене о=1.
Следовательно, в общем случае а=0...1. Действительные значения коэффициентов аккомодации зависят в основном от природы газа, материала стенки и состояния ее поверхности. В опытах, проведенных с воздухом при различных видах твердой поверхности, получены значения о=0,87 ...0,97. Но величина а может иметь значительно меньшие значения. Например, при взаимодействии с вольфрамовой питью водорода получеио о= 0,2, а гелия — о= 0,02.
При диффузном рассеянии отраженных от стенки молекул средняя тангенциальная составляющая скорости летящих от стенки молекул равна нулю. Так как тангенциальная составляющая скоРости подлетающих к поверхности молекул не равна нулю, то и средняя тангенциальная скорость всех молекул, подлетающих к стенке и улетающих от нее, также не равна нулю и представляет собой скорость скольжения газового потока ш, (рис. 12.1).
Еще В большей мере этот эффект проявляется при о(1. 383 При взаимодействии со стенкой газа, температура которога отлична от температуры стенки, на поверхности теплообмена воз, никает температурный скачок АТ=Т,— Тм (рис. 12.2). Этот скачок обусловлен тем, что кинетическая энергия подлетающих к стенке молекул отличается от энергии, соответствующей температуре по. верхности теплообмена. Поэтому средняя температура находяще. гося в непосредственной близости от стенки газа не равна темпе. ратуре стенки. х Рис.
12.2 Рис. 12.1 Следует, заметить, что скорость скольжения и температурный' скачок наблюдаются в газах любой плотности, однако в плотных газах их значения пренебрежимо малы. По мере увеличения разреженности,газа увеличивается средняя длина свободного пробега молекул, увеличивается тангенциальная составляющая скорости подлетающих к поверхности молекул н разность температур между поверхностью и непосредственно прилегающим к ней слоеМ газа. Поэтому чем больше степень разреженности, тем больше пь и ЛТ.
На основании молекулярно-кинетической теории газов Дж. К. Максвелл показал, что температурный скачок определяется формулой Р ~ дх ) Ю (12.2) где Ь вЂ средн длина свободного пробега молекул; 2 — и 2й 9 (12.3) Э и и+1 й — показатель адиабаты; дТ)дх — температурный градиент в газе по нормали к поверхности. Формула (12.2) определяет температурный скачок при свобод ной-конвекцин и небольших скоростях течения газа. При больших числах Маха формула температурного скачка усложняется 384 В этих условиях температурный скачок зависит от скорости сколь!кения.
При течении газа со скольжением около поверхности тела образуется пограничный слой, толщина которого увеличивается по мере увеличения разрежения, а интенсивность изменения скорости и температуры в нем уменьшается. При очень глубоком разрежении, когда средняя длина свободного пробега молекул во много раз превосходит размеры тела, влиянием межмолекулярных столкновений на распределение скоростей в газовом потоке, омываю!дем тело, можно пренебречь.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
