Глава XVIII. Тепловая защита летательных аппаратов и их энергетических у (1013646), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Однако вдув охладителя в турбулеитиый пограиичиый слой оказывает меньшее влияние иа процесс теплообмеиа, чем при ламинарном режиьте течения, что приводит к увеличению расхода охладителя при прочих равных условиях. Результзты экспериментальных исследований процесса теплообмеиа в турбулентном пограничном слое при адуве воздуха и гелия через пористук> поверхность, обтекаемую воздушным потоком, представлены из рис. 18.13.
Как и при ламинарном режиме, чем больше интенсивность вдува (формпараметр / =- (ри] ср/па) и чем меньше молекулярная магга вдуваемого газа (М„), тем меньше интенсивность теплообмеиа, а следовательно, тем больше эффективность тепловой защиты. На основании обобщения экспериментальных исследований по влиянию адуве различных гззов иа теплообмеи в турбулентном пограничном слое предложено следующее критериальиое уравнение для расчета коэффициеитз теплоотдачи (см. рис.
!8.13) при значениях формпараметра, для которых а/а, > О.1: туре поверхности (Т,,) н пренебрегая потерями тепла посредством излучения, уравнение теплового баланса можно записать в виде д. = — „, (1.— 1.) = Н 1-.-(1.--1.), где 1„-- па шльпая эптальпня вдуваемого охладптеля.
Пз данного соотношения следует, что массовый расход вдуваемого охладителя гл (~в о результаты расчетов показывают, что пористое охлаждение тем более экономии~ ее и эффективнее по сравнению с конвективиым, чем вьппе отношение перепада энтальпий в пограничном слое (1, — 1,) к перепаду энтальпвй охладителя (1,, — 1„) в системе охлаждения, а закжс чем больше параметр вдува. При скорости полета около 8 км)с, когда энтальпия заторможенного потока, превышает 4 10зкДж)кг, расход охладителя при пористом охлаждении иа порядок будет меньше, чем прп конвективном охлаждении.
18.3. ЗАГРАДИТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕН При заградительном охлаждении теплопапряженпых поверхностей охлаждающий газ подается на поверхность тепло- обмена и распространяется вдоль этой поверхности, образуя зщпитпьш слой относительно холодного потока газа (см. рис. 18.4, а). Основным параметром, определяющим интенсивность теплообмепа в этих условиях, является эффективность заградительного охлаждении адпабатной (теплоизолированпой) поверхности 6..к = (1„— 1,,„))(1„- 144), (18.! 7) где 1и — полная энтальпия набегающего (горячего) потока газа; 14, — знтальпия охладптеля; 1 „„— эптальпия газового потока теплоизолированной поверхности, Если физические свойства газового поотка и охладптеля одинаковы (пли практически близкк), то выражение для О„,,„запишется в виде О„,л — — (Тг, — Т„,,) 1(ТН вЂ” ТО), (18.18) где Тп и Тн — соответственно тег.пеРатУРы набегающего потока газа и охладителя; Т„,„— температура теплопзолированной поверхности.
Эффективность заградительного охлаждения 6 ., „ определяет температуру адиабатной (теплоизолировапной) поверхности, которая характеризует процессы тепло- и массообмена между горячим готоком газа и пристенным потоком охладителв. Знал температуру теплоизолированной говерхьости.
можно рассчитать процесс теплообмепа и для более сложных случаев, например при комбинированном охлаждении, при котором одно- 444 ауру тву 1'нс. 28.!4. Пксвм отру>июго т ссннк в са, ю ',, > к". * — прнстсвваа отру»: 6 — саободнвн .труа, 1 — нач аан .й участок; 11 - н.раа дкк участок; 111 — основной участок временно реализуется за: радител>п>ое охлаждение нз впс>ппсй поверхности и допол>1птельпос КО>1вективпое Охла>кдеппс пг~верхности с противоположной сторо П1 (см.
рнс, 18.5). В >тих случаях для расчета тепловой поток на внеп>пей поверхностна>пгсделяется согласно формуле Ньютона, в которой вместо темпера г.,";:ы среды "1'у используется темпсгатура адпабатпой (теплоизо>>прованной) повеохностн: 4> —.— О(Т,д .— Т >. (18.19) Гндродинамическая картина течения, а следовательнс>, н пропесс теплообмена супгественно зависят От >вой>стряс>вских хапактеристик системы подачи охладитсля па зспгишаемую гсверхпость. Рассмотрим основные особенности про" есса теплооомена при подаче охгадителя через плоскую тангенпиальиую пгель, ось которой напповлена параллельно ззгнигдас>>ой повеох1>ос.и (Оис.
18.14) В атом слччае вблизи поверхности образус>тся СТРУ51 ПОТОКа Охлаантвли, КОТОРаи СОППККЗСКЕТС51 С ОДс'.Ой СТорОНЫ с плоской стенкой, а с другой стороны — с внешю>м потоком газа, скорость которого иун и температура Т» отличаются от на- 446 чальной скорости струи и,„, и температуры Т„,. Распространение пристенной струи в спчтпом потоке является сложным неавтомодельным течением, для детального анализа которого необходимо использовать методы численного оен|ения газодинамических уравнений. Однако в инженерной практике для оасчета процесса тепло- обмена с успехом могут быть использованы полуэмпнрические методы расчета, основанные на экспернмещтальных исследованиях основных закономерностей поистенных струйных теченией. Рассмотрим основные положения этих методов расчета.
В зависимости от размера (высоты) идели (Ь,) и толщины пограничного слоя Гб), образованного в результате обтекания поверхности внешним потоком, вдув охладнтеля может быть реализован во внешний поток Гири Ь„ъ 6) или в погоаничный слой (прн Ь„ ( 6). Развитие поистенного струйного течения в этих двух случаях может протекать по-паэному. Рассмотрим случай, когда высота щели больше нли соизмерима с толщиной пограничного слоя внешнего потока (см. оис, 18.14) и начальная скорость струи (из„) больше скооогтн внешнего спутного потока Гин). Ппистенное струйное течение условно можно разделить на две области: пограничная, примыкаю|пан непосредственно к поверхности. и струйная области.
С увеличением расстояния от щели. чеоез которую вдувается охладитель. толщина пограничного слоя н ширина струи увеличиваются, и соответственно скооость струйного потока уменьшается и в пределе стоемится к скооости внепшего потока. В пограничном слое имеет место падение скорости до нуля на стенке.
Если стенка теплоизолированная. то темпепатуоа в поперечном сечении пограни чного слоя остается постоянной н равной ее значению ва вне1нней границе пограничного слоя. Если поверхность не теплоизолнронанная, то вблизи ее образуется тепловой погнаничный слой и температура на его внешней границе Т, соответствует температуое на теплоизолированной поверхности Т„кл. Следовательно.
в общем случае для построения модели процесса теплообмена при загоаднтельном охлаждении необходимо опираться на закономеоности струйного смешения потоков и развития пограничного слоя в этой зоне. При значении толшнн пограничного слоя б, много меныпнх ширины зоны струйного течения (б (с Ь), можно в первом приближении полагать, что темпера~ура Та и скорость иэ на внешней границе пограничного слоя примерно соответствуют значению температуры Т и скорости и на оси свободной струи (при отсутствии стенки). Рассмотрим основные закономерности турбулентного смешения двух спутпых потоков. Если пренебречь трением на стенке, то она может рассматриваться как ось симметрии сноб жной струн в спутном потоке (рис.
18.14, б). В свободной струе мо «но выделить начальный (в котором существует ядро постоянной г~ прости), переходный и основной участки, На начальном участк струя температура и скорость на оси струи остаются постояннымн н рав 446 нымн их значению в выходном сечении щели. На основном участке струи происходит постепенное изменение скорости н температуры газа, которые с увеличением расстояния от выходного сечения щели стремятся к значениям во вне!пнем потоке. Для построения картины течения необходимо знать профиль скоростей и температур и попере сном сечении струи, угловой коэффициент расширения струи и положения полюса струи относительно среза сопла. Согласно экспериментальным исследованиям профили относительной скорОсти, энта тьпии и ьсзссовой концентрации имесот куполообразную фор формулой, предложепаой Ц!лихтенгом; к зз д ду Ьа нс Рнс.
!В!5, заангим о.:: полюса зоны струйного сзсещепна от параметра ат му и могут быть описаны (18.20) (18.21) где у — поперечная координата, отсчитываемая от впутрепнев границы зоны смешения для начального участка струи, а для основно~о Участка От Осн стР) и (Уа =- 0); тза„„ /апо дз~ — соответственно скорость, энтальпия и массовая концентрация на ось струи; Ь„, Ьи ܄— - ширина динамической, тепловой н концентрационной зоп смешения струи (рис.
18.14, а). Касс показьпсзсот экспериментальные исследования, профиль скоростей, эптальпий и концентрации в зоне струйного смешения подобны, однако ширина динамической зоны меньше, чем тессловой и концентрационной зон смешения, и примерно составляет Ь; =- — Ь, =.= 1,2Ь„. Угловой коэффициент расширения струи !йа, -= Ь,)х и положение полюса струи хп (положение точки иа осн х, в которой перес!- каются границы области смешения (рис. 18.18)), зависят от рялз факторов таких, как уровень турбулентности и профиль скорости в выходном сечении щели, толщина степки щели, рзздсляк,щая сэсецнзвактпсссеся потоки и размеры пограни,!ного слс я ис вшни!ей се поверхности, уровень турбулентности ш!еп!Исгс поток;, отношс!ше плотностен меспивающихси потоков Ри!!Уз и паРамстР спттпосгн потока лт = и, /итт. В конкретных реальных констр) !синях ! е всегда удается учесть одновременно все эти факторы.
Неравномерность поля скорост! в выходном сечении щел!! к ожпо учесть введением поправки па ее размер (Ь ). Зффссстивгый размер щели (Ь„,ф), учитывакяций фактическук~ величину колпчестьа движения, определяется как Ьоаф=- Ьо - - 26'„, где 6;— толщина вытеснения пограничного слов в выходном сечении сопла.
447 Согласно экспернмеитальпым исследованиям влияние толщины степки (Л), разделяющей смсшивакицне потоки, и размеров пограничных слоев на внутренней (61) н наружной ее поверхностях (6!') пз положение полюса струи г, зависимости от параметра спутпости потоков гп — — иг,/иг! (См. рпс. !8.15) можно определить согласно -лшприческим зависимостям х„5(Л г.й!' -', 6.") == 30ш при т 0,5; ти'(Л -'- д!' — 6!) = 15!а пРи т = 0,5. Лля определения длгшы !шчального у шсгка струи (1„) неосбходимо зпазь значения зангенсов углов расширения обласзи смешения двух потоков (рис. 18.15), размеры и!ели Ь, и полюс струи, х,: !4 -= (!51'(ь гга — — хи.
(18. 23) (18. 22) 5' Г иити Си!С!~5ЕИ5555 !11, а,. Ц, аа ит параигетри ги 44З 1(а рис. 18.15 приведен характер изменения тангенсов углов РИСШИРЕННЯ Обдаети СМЕШЕПИЯ ДВУХ ПОТОКОВ !((и! И !Паз В ЗИВИС51- мостн от параметра т =-и „иг,. 1)упктнрные линни соогвегствук!г значениям, полученным теоретнческ51, сплошные — экспериментальным значениям.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
