Глава XV. Теплообмен на шероховатой поверхности и в отрывных зонах (1013644), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Значение ая удобно выразить через коэффициент теплоотдачи, который определяется с помощью известных критериальных уравнений. В качестве такого коэффициента теплоотдачи целесообразно выбрать коэффициент теплоотдачи в точке отрыва потока а„величина которого непосредственно влияет на значение ав. Результаты обработки экспериментальных данных в виде зависимости кл/я, = — 1 15,"'/Н) приведены на рис.
15.24. Толщина потери импульса и коэффициент теплоотдачи в точке отрыва потока определяются по известным зависимостям. Длина отрывной зоны зависит от высоты уступа, толщины пограничного слоя перед отрывом и практически не зависит от Ке . С ростом высоты уступа и Ь, длина отрывной зоны увеличивается. Значение ха может быть определено по зависимости хя/Н = 1 (Ь /Н), полученной при изменении высоты уступа от 12 до 137 мм и величины Ь, от 3 до 13 мм (рис. 15.25).
При Ь*~'Н > 0,02 отношение хл/Н остается примерно постоянным. В этой области длина зоны отрыва равна примерно 5 высотам уступа. Таким образом, для определения теплового потока в конкретном сечении зоны отрыва необходимо рассчитать а, и Ь;". Пользуясь рис. 15.24 и 15 25, возможно определить значение коэффициента теплоотдачи в точке присоединения потока и длину отрывной зоны х„. Величина местного коэффициента теплоотдачи в других сечениях отрывной 391 гтя/ау «а/И б сб йг г 0 001 002 007 004 бш У«Уи 0 001 003 г40б 004 00Х и" уи Рис. 15.24. Зависимость козффнпиента теплостдаян на линии присоединения потока ссн от параметра 6","(Н для уступов высотой Н = 12 ...
137 мм: ° — гладкая поверхность перед уступом; Гт — ыероховатая поверхность перед усту. пом Рис. 15.25. Зависимость длины отрывной зоны за уступом от 6 (Н для уступов высотой Н = !2 ... 137 мм: ° — гладкая поверхность перед уступом; !З вЂ” ыероховатая поверхность перед усту- пом зоны определится по данным рис.
!5.23 и, наконец, тепловой поток — из зависимости 0 = св (7 — '1' ), 15.19. ВЛИЯНИЕ НА ТЕПЛООБМЕН ТУРБУЛЕНТНОСТИ ВНЕШНЕГО ПОТОКА Ранее указывалось, что при рассмотрении взаимодействия потока газа или жидкости с твердой поверхностью все течение целесообразно разделить на две области: тонкого (пристеночного) пограничного слоя и располагающегося над ним внешнего потока. Прн этол! могут реализоваться три режима течения: 1) во внешнем потоке и в пограничном слое — течение ламинарное; 2) внешний поток турбулентный, а течение в г;ограннчном слое ламинарное; 3) во внешнем потоке и в пограничном слое— течение турбулентное. Второй режим течения встречается в большинстве технических задач. Он имеет место в начале взаимодействия внешнего турбулентного потока с гладкой поверхностью, в окрестности критического сечения затупленного тела, во впадинах шероховатой поверхности, в отрывных зонах и т.
д. Теория ламинарного пограничного слоя, расчетные зависимости, полученные на ее основе, справедливы для первого случая, когда внешний поток и пограничный слой ламинарные или для тех частных случаев второго режима, при которых турбулентность внешнего потока не оказывает заметного влияния на характеристики ламинарного пограничного слоя.
Вместе с тем, в ряде случаев второго режима течения результаты расчета теплообмена с использованием положений теории ламинарного пограничного слоя существенно отличаются от экспериментальных данных. Наблюдающееся несоответствие объясняется тем, что между пограничным слоем и внешним потоком нет непроницаемой границы и при турбулентном внешнем потоке пульсации могут проникать в ламинарный пограничный слой. 392 При этом пограничный слой не становится турбулентным, он остается своеобразным ламинарным слоем, переносные свойства которого существенно возрастают за счет участвующих в этом процессе пульсаций внешнего потока.
Пограничный слой остается ламинарным в силу того, что при малых значениях критерия Рейнольдса силы трения велики и пульсации внешнего потока гасятся ими, не вызывая еще перехода течения в пограничном слое в турбулентное. Следует однако заметить, что из рассуждений о физическом смысле критерия Рейнольдса с ростом его, т. е. с относительным уменьшением сил трения, влияние пульсаций внешнего потока на характеристики ламинарного пограничного слоя будет возрастать, так как уменьшится интенсивность диссипации турбулентной энергии в пограничном слое.
Турбулентность внешнего потока характеризуется интенсивностью и масштабом турбулентности. Интенсивность турбулентности определяется как отношение среднеквадратичной пульсационной составляющей скорости к скорости осредненного движения. Под масштабом турбулентности мы будем понимать размер пульсирующего образования — моль.
В турбулентном потоке существует целый спектр масштабов турбулентности от минимального до максимального, определяемого размером и условиями течения среды. Актуальность задачи расчета теплообмена при ламинарном пограничном слое, существующем в условиях внешнего турбулентного потока, определила появление большого количества исследований этого явления. При этом в большинстве случаев анализ результатов исследования проводился на основании только параметров турбулентности невозмущенного внешнего потока, т. е. параметров турбулентности, которые существуют в потоке вдали от тела. Следует отметить противоречивость полученных в этом случае результатов исследования. Так, например, изучая теплообмен в окрестности передней критической точки сферы при одних параметрах потока гсе = =- 5 10' и е = 10%, одни исследователи (Гостовский и Костелло) получили увеличение теплового потока по сравнению с расчетным на 30~о, а другие (Ньютон, Спэрроу и Эккерт) — на 15%.
Лойцянский и Шваб при Ке = 5 104 и е = 3% установили увеличение теплообмена на 30~ . Еще более противоречивы данные по влиянию масштаба турбулентности. Для того, чтобы понять, каким образом турбулентность потока оказывает влияние на теплообмен, необходимо сформулировать физическую модель этого явления. Выше отмечалось, что во внешнем потоке существует целый спектр масштабов турбулентности.
При этом следует, по-видимому, исходить из того, что на переносные свойства ламинарного пограничного слоя будут оказывать влияние масштабы турбулентности, размер которых соизмерим с толщиной пограничного слоя. Именно пульсации таких масштабов могут проникать внутрь 393 й/й' 0,0 0,0 0,7 0 07 0» 00 00 «/а' Рис.
15.27. Измененве пульсационной сиоростн при приближении н преграде в виде горцев с различными диаметрзмн 10, мм): с> — ~з; + — зо; б — зт О 0,7 0,4 00 0,0 «/а' Рис. 15.2б. Изменение интенсивности турбулентности при приближении и преграде в виде торцев с различнымн диаметрами гд, мм): Π— 1О; + — ЗЕ: тг — Зт пограничного слоя, существенно изменяя при этом переносные свойства среды.
Следовательно, для определения влияния на теплообмен турбулентности внешнего потока недостаточно знать его параметры на бесконечности, а необходимо уметь определять параметры турбулентности потока на границе пограничного слоя в том сечении, в котором определяется тепловой поток. Значения параметров турбулентности на границе пограничного слоя зависят как от параметров турбулентности невозмущепного потока, так и от условий взаимодействия его с конкретным телом. Рассмотрим это на примере взаимодействия бесконечного потока с установленными в нем телами в виде дисков разного диаметра.
При взаимодействии потока с преградой изменяются параметры потока. Скорость потока на оси симметрии уменьшается до нуля в критической точке тела. Интенсивность турбулентности увеличивается, так как пульсационная составляющая уменьшается медленнее, чем средняя скорость потока (рис. 15.25). Уменьшение пульсапионной составляющей показано на рис.
15.27. Заметим, что зависимость уменьшения относительной пульсации скорости от безразмерного расстояния до тела имеет одинаковый вид для торцев разного диаметра. При приближении к телу изменяется пе только пульсационная составляющая скорости, но и масштаб турбулентности.
Экспериментальное определение масштаба турбулентности достаточно сложная и трудоемкая задача. Масштаб турбулентности обратно пропорционален частоте турбулентных пульсаций. Результаты измерения частоты турбулентных пульсаций показывают, что при приближении к телу масштаб турбулентности существенно уменьшается. Взаимодействие дозвукового потока с помещенным в него телом теоретически начинается на бесконечно большом расстоя- 394 нии. Однако измерения показывают, что заметное изменение параметров потока начинается с расстояния, примерно равного размеру тела. Таким образом, при установке в потоке тела большего размера изменение параметров потока начнется на большем расстоянии от тела.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
