Глава VI. Турбулентный конвективный теплообмен (1013636)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

ГЛАВА У1 ТУРБУЛЕНТНЫЙ КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН 6.!. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 6ДЕ ПЕРЕХОД ЛАМИНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ В ТУРБУЛЕНТНОЕ Как уже было сказано, впервые систематические исследования перехода ламинарного течения в турбулентное в трубах и каналах были выполнены Рейнольдсом. Им был найден закон подобия, согласно которому переход происходит примерно при одном в том же значении числа 14е, называемым критическим членом рейнольдса: Ке„~ = ( — )) !6.1) "де н,р — сРеднЯЯ по сечению скоРость течениЯ; с! — диаметР трубы; в — коэффициент кинематической вязкости. !49 В предыдущей главе мы рассмотрели ламинарное течение в погра.

иичном слое, при котором перенос количества лвижения, тепла и вещества происхолит в результате молекулярных процессов вязкости, теплопроводности и диффузии. Прн этом значения напряжения трения и теплового потока являются известными функциями распределения скорости и температуры. Для лами. парного течения можно написать полную систему уравнений, и в настоящее время существуют математические методы их решевия. Расчеты требуют некоторого экспериментального уточнения вследствие неизбежной схематизации явлений в сложных случаях течений и неточного знания ряда физических характеристик газа, олнако вводимые поправки невелики.

Течения прн очень высоких числах Рейнольдса обладают новым особым свойством — турбулентностью. Законы таких течений значительно отличаются от законов ламинарных течений и не описываются стационарными уравнениями Навье — Стокса для вязкой жидкости. При турбулентном течении усиливается обмен импульсом и энергией в поперечном направлении, в связи с чем возрастают трение, теплообмен н массообмен. Вследствие чрезвычайно слозкной картины турбулентного течения и отсутствия рациональных теорий турбулентности, решение задачи в строгой математической постановке в настоящее время невозможно, При решении отдельных задач вводится много различных предположений и упрощающих допущений, поэтому в принятых методах расчета турбулентного теилообмена решающее значение приобретает эксперимент.

Турбулентные течения встречаются так же часто, как и ламинарные. При движении летательного аппарата в верхних слоях атмосферы иа его поверхности образуется ламинарный слой, ио при полете на высотах ниже 30 — 50 км в погра. ничком слое может возникнуть турбулентный. В камерах сгорания и соплах лвигателей течение большей частью турбулентное. Однако при низких давлениях на стенках камер сгорания или на поверхностях сопел с большой степенью расширения возможны также н ламинарные течения. х Рис. 6.1. Схема течения и распределение ковффипиентов теплоотдачи при пе.

реходе ламииарного течении в турбулентное на пластине Значение критического числа Рейнольдса существенно зависит от условий входа в трубу, степени шероховатости и др. и может колебаться в диапазоне 2300 < Кеи < 20 000. Однако, если Ке < 2300, то течение всегда ламинарное. Переход ламинарного течения в турбулентное происходит не мгновенно. При достижении значений Ке, близких к критическим, наступает режим перемежающегося течения, когда течение в трубе становится попеременно то ламин арным, то турбулентным. Поэтому область перехода занимает очень большую часть, измеряющуюся иногда тысячами диаметров трубы.

Явление перехода было обнаружено также и в пограничном слое на обтекаемом теле. Наиболее просто переход наблюдать на плоской пластине. С увеличением расстояния х от передней кромки пластины увеличивается число Рейнольдса: Ке, = и,р,х/р,. (6. 2) При достижении некоторого критического значения (Ке„= =- Ке„р) наблюдается изменение режима течения, сопровождающееся резким утолщением пограничного слоя и деформацией распределения скорости и температуры. Одновременно возрастают коэффициенты теплоотдачи и трения, а также изменяется характер их зависимости от х (рис. 6.1). Тщательные измерения, проведенные на гладких пластинах при М ы О, позволили установить нижнюю границу критического числа Рейнольдса в диапазоне 3 10'...5 10'.

Верхняя граница, достигнутая в специальных опытах в особенно равномерном потоке, находится в диапазоне 3.10'...4 10'. В некоторых случаях для определении условия перехода используется Ке, = и,р,б/рм (6.3) где 6 — толщина пограничного слоя на пластине при М = О. связанная с расстоянием соотношением: (6.4) 150 Для области перехода (асеа)„р —— 2700...9000. Полученные значени ния сравнимы с соответствующими величинами, полученными в тру трубах. Значение тсе„р в общем случае обтекания тел потоком сжиаемого газа зависит от большого числа факторов. Ограничиваясь учет четом наиболее важных из них, можно получить критериальную зависимость для общего случая течения на теле с градиентом давления; (Ве,)„~ .= р (М т,„ где — — ' определяет влияние местного градиента давления (й— х' 4и, где —, высота бугорков шероховатости; и' — интенсивность турбулент- ности во внешнем потоке; г — характерный линейный размер по- граничного слоя).

Использование в качестве линейного размера условной тол- щины слоя б не всегда удобно из-за нечеткого определения ее значения. Поэтому в качестве линейного размера используются интегральные величины: толщина вытеснения б', толщина потери импульса бее или толщина потери энергии б (формулы (5.36), (5.53)1, Для определения характера зависимости (6.5) проведено множество теоретических и экспериментальных исследований, но экспериментальные данные часто противоречивы, не согласуются с теоретическими предсказаниями, и к ним следует относиться с осторожностью, Поэтому ограничимся рассмотрением влияния отдельных факторов на величину Кенр.

Большое практическое значение имеет исследование влияния шероховатости стенки, которая всегда присутствует на так назы- ваемых технически гладких поверхностях. Шероховатость вызы- вает возмущения в ламинарном слое, и переход в турбулентное течение происходит при меньших значениях 5се„р. Интенсивность шероховатости можно характеризовать отношением 5т/бе. Кроме высоты бугорков й играет роль, хотя и меньшую, также их форма, ле, /ле, расстояние между ними и др. На !,0 ;/( .,), рис.

6.2 представлена зависимость отношения значения 5теир 08 на шероховатой поверхности к Лелр/(реха)е 00 0,0 0,е 0,5 г 5 а з/0 с. з.сс ь. ~нане ме н,хоеасостен на а дено прн различных числах М а теплонзолированной пластине Рнс. 6.3. Влияние я на йеир на гладкой теплонзолированиой пластине !з! Яелртг(яе /0 Уе .70 И га 77 а 6 7,П 7,2- Гм/ге Рис. 6лк Влияние теплообмена на Йенр на гладкой пластине 6,2 а,ч П,й П,г т„,гте Рис. 6.5. Влияние охлаждения и гиерокоаатости на Рекр. / — гладка» понеркноста; 7 — и = =-0,005 мм; а — 5=0,05 мм; а — 5= -- 0,075 мм значению (Ке„р)„на гладкой поверхности от й/6" для случая течения на плоской пластине без теплообмена. Результаты для различных форм шероховатости и различных (Ке„р)„для каждого М укладываются па одну кривую. Как видно, с увеличением М влияние шероховатости ослабевает, что может быть обьяснено уменьшением плотности газа у стенки.

Влияние числа М на значение Кекр при отсутствии теплообмеиа недостаточно ясно. Из экспериментов (рис. 6.3) получено уменьшение Ке„р при возрастании М до 3,5 и затем медленное увеличение при М .-.—. 5. Однако это может быть объяснено также изменением условий опыта при возрастании М. Общее влияние теплообмена на момент перехода ламинарного течения в турбулентное такое, что на охлажденной стенке (Т /Т, < < 1) значение Ке„р увеличивается, а на нагретой (Т /Т, > 1)— уменьшается.

Примерный характер зависимости, предсказываемый теорией и согласующийся с экспериментами на гладкой поверхносги, представлен на рис. 6.4. Характер зависимости Ке„р от Т /Т, резко изменяется на шероховатой поверхности, что видно, например, из рис. 6.5, где приведены экспериментальные данные по определению Ке„р иа конусе с углом при вершине 10' при различной шероховатости. Существование режимов обратного влияния охлаждения, когда Ке„р уменьшается при снижении Т /Т„может быть качественно объяснено тем, что при сильном охлаждении пограничный слой утоньшается и влияние шероховатосги проявляется сильнее. Исследования в потоках с продольными градиентами давления обпаружива7от общую тенденцию стабилизации ламинарного режима в ускоряющихся течениях и, соответственно, ранней турбулизации в замедляющихся.

Экспериментальное определение точки перехода ламинарного течения в турбулентное в аэродинамических трубах затруднено влиянием начальной турбулентности, которая, однако, ослабевает при больших М. Приведенные данные могут быть использованы 152 как ориентировочные. В практических случаях, когда положение точки перехода из ламинарного в турбулентное течение не ясно, расчет теплообмена проводится для обоих режимов и используются ге значения коэффициентов теплоотдачи, которые обеспечивают неоГ>ходимый запас работоспособности конструкции. 6.З. ОСРЕДНЕННОЕ И НУЛЬСАЦИОННОЕ ДВИЖЕНИЯ Исследования турбулентного потока показыван>т, что в каждой фиксированной точке скорость, давление и температура не остаются постоянными по времени, а очень часто изменяются и притом неравномерно.

Такие изл>еиеиия скорости, давления н температуры называются пульсациями и являются наиболее характерным свойством турбулентного течения. Элементы жидкости, пульсирующие в потоке, представляют собой крупные макроско! ические образования жидкие комки, или моли. Значения пульсаций составляя>т, как правило, всего несколько процентов от средних значений скорости, но очень сильно влияют иа развитие течения жидкости. Пульсационное движение, накладывающееся на главное движение, настолько сложно, что его теоретический расчет пока не представляется возможным.

Характеристики

Тип файла DJVU

Этот формат был создан для хранения отсканированных страниц книг в большом количестве. DJVU отлично справился с поставленной задачей, но увеличение места на всех устройствах позволили использовать вместо этого формата всё тот же PDF, хоть PDF занимает заметно больше места.

Даже здесь на студизбе мы конвертируем все файлы DJVU в PDF, чтобы Вам не пришлось думать о том, какой программой открыть ту или иную книгу.

Список файлов книги