Основы теплопередачи (Михеев М.А.) (1013624), страница 16
Текст из файла (страница 16)
жв Отношение средней скорости к максимальной при ламинарном режиме для всей области докрнтических значений числа Рейнольдса есть величина постоянная, равная: — = 0,5. При турбулентном режиме это отношение равно некоторой величине с, которая является функцией числа Рейнольдса: (е) При турбулентном режиме кривая изменения скорости имеет внд усеченной параболы (фиг. 34, б). Вблизи стенки кривая изменяется круто, а в средней части сечения — в турбулентном ядре потока — более полого. Максимальная скорость наблюдается также на оси трубы. В практических расчетах всегда имеют дело не с точечными, а со средними значениями скорости: 90 теплоотдАчА пги ВынужденнОм дВижении [гл 4 Кривая этой зависимости по опытам Стентона и Никурадзе приведена на фиг.
35'. Приведенные законы распределения скоростей по сечению трубы справедливы лишь для так называемого гидродинамически стабилизированного движения. Стабилизация наступает не сразу, а на некотором расстоянии х от входа в трубу. На этом участке характер движения и распределение скорости претерпевают большие изменения.
Если в трубу с закругленным входом жидкость поступает из большого пространства,то во входном сечении скорость постоянна. Далее, вследствие трения у стенки скорость убывает, а в центре сечения возрастает (фиг. 36, б), ибо расход жидкости остается постоянным. Так, постепенно изменяясь на участке стабилизации, кривая распределения скоростей приобретает стабильный вид. То же самое происходит и при любом распределении скорости во входном сечении (фиг.
36, а). На основании опытов Никурадзе 1100) длина участка стабилизации для ламинарного режима может быть принята равной х=0,03 д /се, а для турбулентного режима х = 40 д. Так как на участке стабилизации характер движения меняется, то, следовательно, меняется и теплоотдача. Поэтому при проведении опытов и расчетов всегда следует отмечать, имеем ли мы дело с гидродинамически стабилизированным движением или нет. Пренебрежение этим может привести к неправильным выводам. При турбулентном режиме движения у стенки всегда имеется слой, в котором жидкость движется ламинарно.
Это — так называемый лавяинарный пограничный слой. На участке стабилизации толщина пограничного слоя постепенно возрастает от 6=0 (при входе в трубу) до своего предельл ного значения 6 == 64,2 —,—. По абсолютному значению тол/ге ь ' шина пограничного слоя невелика и с увеличением /се она уменьшается: при"все =104л=1/466; привте=!Оа — =1/3660 и при/те=10а л =1/28 400. При турбулентном течении весь поток насыщен беспорядочно движущимися вихрями, которые непрерывно возникают и исчезают. В точности механизм вихреобразования еще не установлен. Одной из причин возникновения вихрей является внезапное торможение частиц движущейся жидко- е Кривые на фиг.
Зб могут быть использованы для определения средней скорости пв по максимальной ыь измеренной на оси трубы (сплошная кривая), и, наоборот, по средней скорости определить максимальную (пунктирная кривая). ТВПЛООТДАЧА В ТРУБАХ И КАНАЛАХ 91 й 141 сти при встрече с каким-либо препятствием. На границе пограничного слоя такие явления могут возникать вследствие шероховатости стенки. Затем эти вихри диффундируют в ядро и, развиваясь, заполняют собой весь поток.
Одновременно с этим вследствие вязкости жидкости вихри постепенно затухают и исчезают. Благодаря непрерывному образованию вихрей и пх диффузии происходит сильное перемешивание жидкости, называемое турбулентным смешением. Чем больше вихрей, тем интенсивнее перемешнвание жидкости и тем больше турбулентность потока. Различают естественную и искусственную турбулентности.
Первая устанавливается естественно; для случая стабилизированного движения внутри гладкой трубы турбулентность вполне определяется значением числа Рейнольдса. Вторая вызывается искусственным путем вследствие наличия Фнг. Зб. Стабилизация распределения сноростей при движении жидкости в трубе. в потоке каких-либо преград, турбулизирующих решеток и других возмущающих источников. Непосредственно измерить турбулентность нельзя.
О ней обычно судят по интенсивности перемешивания жидкости, по гидравлическому сопротивлению нли по теплоотдаче; чем больше турбулентность потока, тем интенсивнее теплоотдача'. Приведенные выше закономерности и соотношения строго справедливы лишь для изотермического движения,' когда температура жидкости во всех точках потока остается одинаковой и постоянной. При наличии же теплообмена движение становится неизотермическим; температура жидкости изменяется как по сечению, так и по длине трубы. Вследствие изменения температуры по сечению происходит изменение вязкости и как следствие этого изменение профиля скоростного поля.
В зависимости от направления теплового потока это изменение оказывается различным. Рассмотрение Р ф.31 р д ю, р о „„„„„„,„„„„„,в,1ре, „„„„,р Работу М. й. Кнрпичева и Л. С. Эйгенсона [371. 92 твплоотдлчд при вынрждкнном движении гг . а Фиг, 37. Распредеденяи скоростей по сечению. 1 — при иеотермическом «анже«на~ д — при оадаждении; д — при нагренании «апеаьны« жндкостед. теплообмена теряется основное свойство ламинарного течения — параб глический закон распределения скоростей. Измененче нормального профиля скоростей происходит также и при турбулентном режиме, но оно ограничиваегся, повидимому, лишь пределами пограничного слоя. Кроме того, наличие неодинаковой темперагуры в сечении является причиной возникновения подземной силы и еипественной конвенцией.
Это также влияет на профиль скоростного поля. Пря .отсутствии естественной конвекцин распределение температуры и скорости по сечению трубы должно быть таким, как показано иа фиг. 38, а. При наличии же естественной коявекции закон распределения скорости нзменяетгя. Характер этого е изменения зависит от того, как расположена г труба, вертикально нли горизонтально, и совпадают ли направления свободного и вынужденного движения или они противо! положны друг другу. При вертикальном положении трубы и совпадении направлений свободного и вынужденного движения (прн охлаждении жидкости и подаче ее сверху или нагревании жидкости н подачи ее снизу) у стенки трубы скорость становится больше, а в центре меньше (фнг. 38, б).
При противоположном направлении свободного и вынужденного движений (прн охлаждении жидкости и подаче ее снизу или нагревании жидкости и подаче ее сверху), наоборот, у стенки трубы скорость становится меньше, а в центре больше. При горизонтальном положении трубы 'вследствие свободного движения возникает поперечная циркуляция жидкости (фиг. 39). Частицы жидкости, участвующие в поперечной циркуляции, одновременно участвуют и в продольном вынужденном движении, В результате сложения этих двух движений траектория частиц имеет сложный вид по винтовой линии.
При нагревании и охлаждении жидкости в гори.онтальных трубах характер циркуляции одинаков, отличаясь лишь направлением движения. Итак, при неизотермическом движении жидкости появляется ряд новых особенностей явления. Эти особенности подробно еше не изучены. За неимением достоверных данных в расчетах мы вынуждены пока пользоваться закономерностями, установленными для изотермического движения. Но пользуясь этими данными, мы всегда должны помнить о приближенности таких расчетов и необходимости введения соответствующих поправок.
93 ТЕПЛООТДАЧА В ТРУБАХ И КАНАЛАХ й 14] 2. Теплоотдача при ламинарном режиме. Для рассматриваемрй задачи имеется аналитическое решение. Но вследствие упрошаюших предпосылок это решение 1'151 приближенное; его расхождение с опытными данными достигает 100е; и более. Из всех факторов, которыми, при решении пренебрегают, важнейшим является естественная конвскция.
Наличие естественной лонвекцни меняет не только закон распределения скоростей, но и самый механизм переноса тепла. П б) Фьг. 33. Распределение скорости и температуры при охлаждении жидкости бел учета (а) и с учетом (б) влияния свободного движения жидкости. Фиг. 39. Поперечная циркуляция в гориаонтальпой трубе вследствие наличия свободного движения жндкости. а †п нагреаани»; б при оаланоаении жианоетн. потока„и перенос тепла усиливается. Наибольшая турбулизация получается при вертикальном положении трубы и противоположном направлении свободного и вынужденного движений. Граница раздела двух движущихся навстречу друг другу потоков является очагом возникновения вихрей, которые усиливают турбулизацию.
При одинаковом направлении свободного и выну,кденного движения такого очага нет, и движение протекает более спокойно. В этои случае конвективный перенос тепла возможен лишь за счет перестройки профиля скоростей веледствие изменения вязкости. Прн горизонтальном положении трубы свободное движении жидкости создает довольно сильную турбулизацию независимо от направления теплового потока. На основании изложенного теплоотдача в общем случае ткплоотдлчл пги выньждкнном движении [г,а 94 должна определяться факторами как вынужденного, так и свободного движения. При этом влияние последних должно быть тем сильнее, чем больше температурный напор Ы= 1 — 11.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
