Глава XV. Теплообмен на шероховатой поверхности и в отрывных зонах (1013644)
Текст из файла
ГЛАВА ХУ ТЕПЛООБА|ЕН НА ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ И В ОТРЪ|ВНЫХ ЗОНАХ 16.1. ТЕПЛООБМЕН НА ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ В данной главе рассматриваются особенности течения и теплообмена на шероховатой поверхности и в отрывных зонах при движении газа с дозвуковой скоростью. Одним из факторов, влияющих на конвективный теплообмен, является состояние поверхности.
В ряде практически интересных случаев поверхность, участвующая в конвективном теплообмене, не является абсолютно гладкой. !'1оявление шероховатости может быть следствием механической обработки поверхности, коррозии материала, отложения солей, разрушения поверхности под действием высокотемпературного газового потока. В настоящей главе рассматривается влияние на теплообмен шероховатости, равномерно распределенной по поверхности.
Рассмотрим вначале влияние шероховатости на переход ламинарной формы течения в турбулентную. При вынужденном движении среды переход ламинарного течения в турбулентное определяется величиной критерия Рейнольдса, который характеризует соотношение в рассматриваемом потоке сил инерции и трения. Если величина критерия Ке мала, то это означает, что малы силы инерции по сравнению с силами трения, возникающие в пограничном слое возмущения гасятся силами трения и течение в нем остается ламинарным. Наличие шероховатости вызывает дополнительные возмущения, что способствует потере устойчивости ламинарной формы движении. Уровень возмущений, вызываемых шероховатостью, зависит от высоты выступов А, параметров потока и определяется величиной критерия Рейнольдса, в котором определяющим размером является высота элементов шероховатости, Н ел — — ий/ч. При небольшом значении Вел возмущения, вызываемые шероховатостью, малы и шероховатость не оказывает влияния на переход ламинарного движения в турбулентное.
В этом случае переходное сечение определяется величиной (Ке„)„р — — их„р!ч, с'ютветствующей гладкой поверхности. Влияние шероховатости начинаетсЯ со значений Кел > 100 и хаРактеРизУетси заметным Уменьшением (Ке„)„а (рис. 15.1). Указанное влияние шероховатости приводит к увеличению тепловых потоков в сечениях, где пограничный слой стал турбулентным, и к увеличению суммарного 171 (Лех),~, мх для всей поверхности теплового потока за счет большего участка с туре булентным пограничным слоем.
Шероховатость поверхности не только способствует переходу ламинарного пограничного слоя в турбулентный, но и оказывает существен++ ++— ное влияние на теплообмен в облаг сти образовавшегося турбулентного пограничного слоя. При шероховатой поверхности интенсивность теплообмена определяется состоянием гараев газа, заключенного во впадинах, тости на значение критического образованных элементами шерохочисла рейнольдса, определяю- ватости. Из имеющихся эксперищего переход ламннарного те- ментальных данных следует, что ченнн в турбулентное характер движения газа во впа- динах зависит от значений Реа и относительного шага шероховатости з/й, где з — расстояние между соседними элементами шероховатости (выступами).
Рассмотрим вначале влияние на теплообмен равномерно распределенной плотной шероховатостл с величиной 1,5 ( з1й ( 2. В этом случае состонние газа во впадияе целиком определяется величиной йеь, при вычислении которой в качестве определяющей температуры следует брать температуру газа во впадине Т„. Значение Тен может быть определено из соотношения (Т, — Т )1 (Т, — Т,„) = 0,6. При Кеа ( 100 во впадинах образуются зоны со слабым движенлем газа, которые являются своего рода изоляцией, вызывающей уменьшение тепловых потоков.
Так, например, результаты экспериментов с ламинарным пограничным слоем указывают на то, что тепловой поток на шероховатой поверхности в области значений йе„( 100 на 10 — 159о меньше, чем на гладкой поверхности в тех же условиях, а прл Кеа = 100 тепловые потоки на шероховатой и гладкой поверхностях одинаковые. При турбулентном пограничном слое диапазон значений Кеа от 100 до 530 характеризует переходный режим от соответствующего гладкой поверхно.
сти до полного проявления шероховатости. В этом интервале значений критерия Рейнольдса происходит постепенное развптие движения газа во впадине. Развитое течение с полным проявлением влияния шероховатости на теплообмен наступает при значении йеь ) 530. При этом в случае плотной шероховатости 1,5 ( з/Ь ( 2 во впадине наблюдается одновихревое течение, при котором центр вихря примерно соответствует центру впадины (рис. 15.2). На наветренной грани элемента шероховатости образуется критическая линия, от которой происходит растекание потока в направлении вершины впадины и ее основания. Распределение статического 372 Кц =0 0296Ке"~Рг~л~1Т /Т )а,м Показатель степени прн температурном факторе Т )Т, принят равным 0,53 согласно экспериментальным данным для малой скорости потока, полученным при М (0,5. Из равенства иор — — игл следует, что тепловые потоки в области полного проявления шероховатости больше тепловых потоков на гладкой поверхности на величину отношения Гш/и„, где Гш— площадь поверхности шероховатой пластины; Т„, — площадь поверхности гладкой пластины.
(15.1) а,ллгггм'-Л) давления р„по поверхности впадины указывает на сложный характер движения газа во впадине, при котором имеют место как ускоренные, так и замедленные участки течения, что приводит к существенному различи1о условий теплообмена на разных участках поверхности. Максимальное значение коэффициента теплоотдачн, соответствующее окрестности критической точки пир, примерно в четыре раза выше минимального а в донной части впадины. Для многих задач при расчете теплообмева достаточно определить среднее значение теплового потока в рассматриваемом сечении, а для этого необходимо знать среднее значение коэффициента теплоотдачи на поверхности впадины.
Для получения простой инженерной методики расчета тепло- обмена на шероховатой поверхности важным обстоятельством является тот факт, что при плотной шероховатости Яеь ) 530) среднее значение коэффициента теплоотдачи аср для всей поверхности впадины совпадает с величиной сс„для гладкой поверхности в том же сечении. На рис. !5.3 экспериментальные точки соответствуют значениям сс,р для шероховатой пластины, а сплошные ллнии — коэффициенту теплоотдачи на гладкой пластине а„, определенному из уравнения Рнс. 15ХИ Схема течения газа во впа- дине при полном проявлении шерохо- ватости 0 700 700 700 900 500 д лм Рис. !5.3.
Сравнение среднего по поверхности впадины значения коэффициента теплоотдачи асв с расчетной величиной аг для гладкой поверхности в рассматриваемом сечении: Х. аи Π— Ис, = В,С0.10', 6.99.10В ЬЗВ. 10' соответственно 373 агд агл тв дв ' и Х Ю 5 Х тр 3/д Рис. 15.4. Зависимость среднего по поверхности впадины значения ковффициента теплоотдачи а„р с рас.
четной величиной а„л от параметра з/» Рнс. 15.5. Зависимость коаффициента о от параметра а/6 Указанная особенность дает возможность использовать для расчета а,р критериальные уравнения, полученные для гладкой поверхности. При этом расчет теплообмена на шероховатой поверхности сводится к определению а,р из уравнения (15.1) и теплового потока из уравнения д=а, (т,— т )г (1 5.2) Экспериментально доказана возможность использования для определения аср уравнения (15.!) в широком диапазоне значений /г. При определении критерия Нуссельта через средний коэффициент теплоотдачи Хц, = а,рх/Х получается одна расчетная зависимость для пластин с и = 0 ... 10 мм. Изложенная методика расчета теплообмена дает хорошие результаты для различных форм плотной шероховатости.
Рассмотрим расчет теплообмена на шероховатой поверхности при Кеь ) 530 и различных значениях а/й. С увеличением относительного шага з/й одновнхревая схема течения с центральным расположением вихря при плотной шероховатости постепенно деформируется и при больших значениях з/й превращается в двух- вихревую. Вихревое движение занимает в этом случае только часть впадины — участки, расположенные у граней, — а между ними находится область турбулизированного течения. При этом среднее значение коэффициента теплоотдачи для шероховатой поверхности увеличивается, стремясь к некоторому максимальному значению при з/Ь = 12 (рис. 15.4).
Увеличение а,р объясняется интенсификацией теплообмена в донной части впадйны, где при плотной шероховатости условия теплообмена хуже, чем при гладкой поверхности. Расчетная зависимость для определения среднего коэффициента теплоотдачи при переменной а/й имеет вид Хцср — — А Мц„„, где значения А = а,р/а„„ берутся из графика на рис.15Ач а критерий Нуссельта для гладкой поверхности )х!и„ определяется из уравнения (15.1). 374 Анализируя влияние шероховатости на тепловой поток, следует иметь в виду, что при возрастании з/Ь одновременно с увеличением а, уменьшается отношение г /г„„, так как в этом случае по- верхность шероховатой пластины постепенно приближается к г"„. Поскольку в ряде конкретных случаев затруднительно опре- деление площади шероховатой пластины, то удобно расчетную за- висимость для определения теплового потока представить без множителя г", Рщ Перепишем для этого уравнение(15.2) в виде 9 = а, — м (Т,— ягл — Т)В,.
Учитывая связь а,р и а„, которая при переменном з/Ь опре- деляется соотношением а,р —— Аа„„будем иметь = А ~ а,~ (Т~ — Т ) Е'„„. Или, записывая соотношение ~ш игл Аг" /Р„„в виде множителя В, получим зависимость для определе- ния теплового потока а=ва (Т,— Т )В,„. (1 5.3) В уравнении (15.3) множитель В одновременно учитывает как увеличение а,р, так и уменьшение поверхности при изменении параметра з/Ь. Для шероховатости, выполненной в виде трапецие- видных выступов, значения В приведены на рис. 15.5. Из рисунка следует, что с ростом з/Ь возрастание и„.р почти компенсируется уменьшением отношения Е /Е„„, что приводит в области 4 < < з/Ь < 12 практически к постоянству коэффициента В и в ко- нечном счете указывает на слабую зависимость теплового потока от параметра з/Ь. Естественно, последнее замечание относится к значениям з/Ь < 12.
Из характера зависимости а,р/а„„= / (з/Ь) (см. рис. 15.4) и из физических соображений о влиянии шерохо- ватости на теплообмен следует ожидать, что прн з/Ь > 12 отно- шение а,р/а„а будет уменьшаться. Отношение г /Р„, также умень- шается, асимптотически приближаясь к единице, следовательно, в этой области з/Ь уменьшается коэффициент В и тепловые потоки на шероховатой поверхности приближаются к их значениям на гладкой пластине.
Используя зависимость (15.3), следует иметь в виду, что могут быть формы шероховатости с отношением г /г"„„, отличным от величины, которой соответствуют значения коэффициента В, приведенные на рис. 15.5. Поскольку по имеющимся эксперимен- тальным данным не отмечено заметного влияния формы впадины на средний коэффициент теплоотдачи, а коэффициент В .= = я,рг /р„„,, то для шероховатости с другим отношением гм//'„„коэфлфициеит В может иметь дРУгие значениЯ. Расчеты, в частности, показывают, что при прямоугольной форме впадины значение Рш/Р„„, а следовательно, и В для з/Ь =- 1,6 на 30% выше приведенных на рис.
15.5. С увеличением а/Ь разница в зна- чениях В убывает: при з/Ь = 3,6 отличие составляет 18%, а при з/Ь = 12 — только 60У0. 375 Приведенные расчетные зависимости для определения о теплового потока справедливы дли случая полного проявления шероховатости, кото йб рое наступает при Кеа) 530, 'д 5И трпа ре„Рассмотрим далее тепло- обмен на шероховатой порно.
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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
