Глава XV. Теплообмен на шероховатой поверхности и в отрывных зонах (1013644), страница 2
Текст из файла (страница 2)
!5.6. Данные по теплообмену в об. верхиости в области пере- ласти переходного режима ходного режима. Ранее от- мечалось, что переходный режим течения находится в диапазоне значений (геь от 100 до 530. При Иеа = 100 ... 530 постепенно увеличивается влияние шероховатости на сопротивление и теплообмен. Измерение скорости в пограничном слое, образующемси на шероховатой поверхности, показало, что для фиксированного значения !хеа безразмерный профиль скорости одинаков при различных значениях х.
Аналогичная картина наблюдается и при исследовании теплообмена. С увеличением 1(е„ теплообмен интенсифицируетси, при этом среднее значение коэффициента теплоотдачи возрастает. Критериальное уравнение дли определения сс,р в области переходного режима имеет вид (х(ц,р = А„р!х!ц„, (15 А) где А„р = а,р(а„„характеризует развитие вихревого движения во впадине. Экспериментальные значения Агм приведены на рис. 15.6. При достижении Ке„ значения 530 развитие вихревого течения во впадине заканчивается, А„,р становится равным единице, а ~хор = = — а„,. Следует заметить, что данные рис.
!5.6. соответствуют плотной шероховатости, выполненной в виде сплошных трапециевидных выступов, расположенных перпендикулярно к направленик> потока. Использование этих данных для других форм шероховатости, в том числе и плотной, может дать лишь приближенное значение аор. Так, например, для шероховатости, выполненной в виде отдельных плотно расположенных четырехгранных усеченных пирамидок, расчет теплообмена с использованием данных рис.
15.6 приведет к завышению теплового потока в среднем для асей области перехода примерно на 15% . гблв СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ СОПРОТИВЛЕНИЕМ И ТЕПЛООБМЕНОМ Связь между теплообменом и трением, установленная для гладкой поверхности, 51 = — СгРг-в/а (15.5) 376 является следствием одинакового воздействия определяющих параметров потока на условия теплообмена и сопротивление, При течении у шероховатой поверхности теплообмен и сопротивление определяются как параметрами потока, так и параметрами шероховатой поверхности. Результаты исследования теплообмена указывают на то, что в области полного проявления шероховатости условия теплообмена не зависят от высоты выступов шероховатой поверхности. Вместе с тем зависимость коэффициента сопротивления от высоты выступов может быть представлена в виде Сг — — (2,87 + + 1,581дх()т) 'в.
Различная зависимость теплообмена н сопротивления от Ь указывает на нарушение связи между этими явлениями при течении над шероховатой поверхностью. Использование формулы (15.5) для шероховатой поверхности может привести к существенной ошибке, что видно из данных рис.
15.7, на котором приведены значения числа Стантона, определенные по результатам измерения теплового потока и стер и рассчитанные по зависимости 115.5) с использованием экспериментально определенных значений С7. При этом коэффициент сопротивления определялся из выражении 1 обзз — С,= —. 2 лх Толщина потери импульса без вычислялась по измеренным в ряде сечений пограничного слоя пластины значениям температуры и скорости, Сравнение проведено для шероховатости К =- 10 мм. Ошибка в определении условий теплообмена по формуле (15.5) непостоянна. С уменьшением К разница в значениях 51 будет уменьшаться.
Результаты исследования теплообмена и сопротивления на шероховатой поверхности указывают на те мероприятия, осуществление которых дает возможность получить увеличение теплообмена при наименьшем возрастании сопротивления. Такая задача возникает, например, при разработке экономичных теплообменных аппаратов. дм Максимальный прирост теплообмена получается при плотной шероховатости с высотой высту- Дант пов )т, обеспечивающей значенле теа > 530. Большие значения )т д не приводят к увеличению тепло- яа 700 30р Фар х,мм обмена.
Вместе с тем, с уменьшением Ь уменьшается сопротивле- рис. 1б.т. данные связи теплоние шероховатой поверхности. обмена и трения иа шероховатой Сле ледовательно, при плотной ше- ° поверхности; Роховатости минямальное сопро- зпеперемептзпьеому зназенню с 377 тивление при максимальном возрастании теплообмена будет иметь место при наименьшей высоте выступов Ь „, обеспечивающей выполнение условия рий/р )~ 530. Таким образом, Ь м = = 530р/(ри). Кроме того, с увеличением параметра з/Ь теплообмен уменьшается незначительно (см. рис. 15.5), а сопротивление уменьшается в несколько раз. Следовательно, для увеличения теплообмена при минимальном возрастании сопротивления целесообразно выполнять шероховатость с А = /1 м и большими значениями з/А, естественно не превышающими значение з//р = 12.
При решении задачи о тепловой защите поверхности желательно обеспечить условия, при которых тепловой поток от горячей среды в поверхность уменьшается. С этой целью целесообразно сделать поверхность гидравлически гладкой, т. е. такой, неровности которой не приводят к увеличению теплообмена. Допустимая высота шероховатости /р„р, которая не вызывает увеличение теплообмена,определится из условия Ке„р —— — и/р„р/р,р = 100, где р, определяется по температуре газа во впадине.
Для отдельных технических задач допустимая высота шероховатости имеет следую1цне значения. 1. При полете самолета со скоростью 800 км/ч на небольшой высоте (р = 0,1 МПа) допустимая высота шероховатости обшивки /1„р =.— 0,01 мм. 2. Для лопаток турбины ВРД при температуре газа 1075 К и давлении р =- 1,0 МПа А„р —— 0,004 мм. 3. Для поверхности сопла ВРД при температуре газа 775 К н давлении р =- 0,2 МПа Вар .— — 0,01 мм. 4.
В критическом сечении сопла ЖРД при температуре газа 3275 К и давлении р = 4,0 МПа допустимое значение высоты шероховатости составляет 0,001 мм. НЕЗ. ТЕЧЕНИЕ СРЕДЫ И ТЕПЛООБМЕН В ОТРЫВНЫХ ЗОНАХ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПЕРЕД ПРЕПЯТСТВИЯМИ Отрыв потока от обтекаемой поверхности встречается во многих отраслях техники. В большинстве случаен отрыв потока явление нежелательное, так как приводит к увеличению сопротивления тел, перемещающихся в среде, уменьшает подъемную силу крыла, увеличивает сопротивление движению газа илн жидкости в трубопроводах, ухудшает характеристики диффузорных устройств и др.
Наряду с этим есть примеры положительного влияния отрывных течений на характеристики летательных аппаратов. К этим случаям относится установка иглы перед плохообтекаемым телом, перемещающимся в сверхзвуковом потоке. Отрывное течение, вызываемое иглой, приводит к образованию перед телом косых скачков уплотнения вместо прямого, что уменьшает сопротивление тела.
378 В авиационно-космической технике для управления летательными аппаратами используются свойства отрывных течений вызывать существенное изменение давления на поверхности аппарата. Отрывные зоны образуются перед и за различными выступами в виде антенн, различных обтекателей, сопел управляющих двигателей, рулей, люков на поверхности летательного аппарата прн его движении под углом атаки и т. д, Возникновение отрывных зон повышает необходимость тепловой защиты поверхности летательного аппарата, так как тепловые потоки в зонах отрыва могут в несколько раз превышать потоки, наблюдающиеся при безотрывном обтекании.
18.4. ДВУХМЕРНЫЕ ОТРЫВНЫЕ ЗОНЫ Торможение потока перед препятствием вызывает повышение давления, которое при дозвуковом течении распространяется вверх по потоку. Распределение давления перед плоским уступом показано кривыми 1 и 2 на рис. 15.8. Пограничный слой перед препятствием (до точки 5) развивается в условиях положительного градиента давления, Происходящая при этом деформация профилей скорости в пограничном слое также показана на рис.
15.8. Наличие трения в пограничном слое приводит к уменьшению полного давления струек газа. Оставшейся кинетической энергии частиц газа, движущихся вблизи стенки, недостаточно для преодо- Рис. 18.8. Схема течения газа перед плоским уступом 379 пения всей области повышенного давления. На некотором расстоянии от препятствия частицы газа, израсходовав весь запас кинетической энергии, останавливаются, и пограничный слой отрывается от поверхности. Характерным для отрывного течения является равенство нулю градиента скорости у стенки (ди(ду) = О. Оторвавшийся в сечении точки 3 пограничный слой присоединяется к поверхности уступа на некотором расстоянии от его вершины — в точке К.
В общем случае в эту точку приходит некоторая струйка газа пограничного слоя с давлением рр. Струйки газа, расположенные ниже этой линии тока, не могут преодолеть давления, устапавливающегося в точке К, и начинают двигаться к основанию уступа, образуя область циркуляционного течения. Линия БАК отделяет газ, движущийся в циркуляционной зоне, от внешнего течения. В циркуляционной зоне часть газа движется к уступу, а другая — в направлении, обратном основному течению. Эти потоки разделяются линией ЬВК. Между газом, движущимся в циркуляционной зоне, и внешним потоком осуществляется интенсивный турбулентный обмен на линии раздела БАК. Интенсивный турбулентный обмен существует также между частицами газа, движущимлся внутри циркуляционной зоны, где согласно экспериментальным данным значение интенсивности турбулентности достигает 40 ...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
