Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 70
Текст из файла (страница 70)
В работе Б. С. Петухова н В. В. Кириллова описаны результаты экспериментального исследования теплоотдачи прн течении сверхзвукового потока в трубе. Опыты проводились прн М = 0,5 — 4 (коэффнциент скорости Л = 0,55 — 2,14) це = 4 ° !Оз — 9 ° 10'1 хЫ = 1 — 27 и Т„!Т, = 0,85 = сопз1. Обобщение опытных данных по местному коэффициенту теплоот. дачи позволило получить следующую формулу: 5)н = 0,044е((еолз Рголзз ' ! — Лз (!О 32) Ь вЂ” ! -,~мз з+! где з — поправка на начальный участок. При хЫ < 10 е = 1,3(хЫ) '".
Прн хЯ) 1О е = 1,0. За определяющий размер принят диаметр трубы, а за определяющую температуру взята средняя по поперечному сечению температура потока. Прв обработке опытных данных коэффициент теплоотдачи определялся по формуле (10.20). Для дозвуковых потоков коэффициент восстановления считался неизменным и равным 0,88. Для сверхзвуковых потоков использована эмпирическая формула г= 0,8?6 — 0,027 (2,18 — Л) —" н Следует заметить, что формула (10,32) непригодна для оценки теплоотдачи в области прямого скачка и за ним. Обработка опытных данных Б.
С. Петухова и В. В. Кириллова с использованпем в качестве определяющей эффективной температуры Т„которая подсчитывается по уравнению (10.24), подтвердила возможйость получения уравнения подобия, описывающего тепло- отдачу при большой скорости движения, без введения числа М (или Л) в явном виде. В такой обработке для воздуха уравнение подобия имеет вид 5)из=0,035е Кео 'з (10.33) Здесь поправка е вычисляется так же, как и для уравнения (10.32).
$ 7. Теплоотдача в соплах Теплообмен в соплах Лаваля, являющихся неотъемлемой частью ракетных двигателей, протекает также в условиях больших скоростей и температур газового потока. Характерным для сопл является существенное уменьшение давления и температуры газового потока по тракту сопла и увеличение его скорости, Условия формирования пограничного слоя в соплах отличаются от условий в трубе не только тем, что по тракту сопла изменяется периметр попереч- ного сечения потока, но и тем, что отрицательный градиент давления в потоке оказывает стабилизирующее влияние на пограничный слой. На входе в сопло пограничный слой имеет обычно турбулентный характер.
Экспериментальные исследования теплообмена в соплах позволяют предположить, что при определенных условиях в зоне критического сечения сопла пограничный слой может снова стать ламинарным. Высокая температура продуктов сгорания, представляющих собой газовую смесь, и значительное уменьшение ее около стенок приводит к резкому изменению а/а пр х,в мена в соплах, и недостаточно Рпс, !0.7 полноеэкспериментальное исследование этого процесса затрудняют построение единой методики расчета. Имеется несколько методов расчетной оценки теплоотдачи* в соплах, более или менее полно отражающих специфику процессов теплообмена в этих условиях, Наиболее простой метод расчета предложен Бартцем. Он основан на теории турбулентного пограничного слоя и не учитывает влияния отрицательного градиента давления на развитие пограничного слоя.
В соответствии с этим методом местный коэффициент теплоотдачи определяется уравнением Мц = сйез з Рг". ПО. 34) За определяющий размер выбирается местный диаметр сопла. Для учета изменения свойств газа в поперечном сечении пограничного слоя, обусловленного изменением температуры, автор метода предлагает использовать в качестве определяющей среднюю температуру пограничного слоя.
При больших значениях чисел М эта состава и своисгв газа в пределах теплового пограничного слоя. Прн сгорании некоторых топлив в газовом потоке появ. ляется кондансированная фаза— большое количество мелких твердых или жидких частиц, которые также влияют на процессы взаимодействия потока со стенкой. Некоторое влияние на теплообмен оказывают также форма проточной части сопла и его абсолютные размеры. Поверхность сопла обменивается теплотой с газовым потоком путем соприкосновения и излучения.
Многообразие факторов, влияющих на процесс теплооб- 49 йз й~ йв йг йл й7 о~ ' Здесь рассматривается только расчет теплоотдзчн. Расчет лучистого зсплообмснз между стенкой н газовым потоком рассмотрен в главе ХШ. задача лучше решается при выборе в качестве определяющей эффективной температуры газа !формула (10.24)1. Поэтому при использовании уравнения (10.34) для расчета теплоотдачи в соплах в качестве определяющей следует выбирать температуру Т,. Коэффициент с для дозвуковой части сопла и критического сечения принимается равным 0,026, а для сверхзвуковой части— 0,023.
Расчет и экспериментальное исследование теплообмена в соплах Лаваля показывают, что коэффициент теплоотдачи интенсивно изменяется вдоль сопла: в дозвуковой части сопла коэффициент тепло. отдачи увеличивается, достигает максимального значения вблизи критического сечения сопла, а затем уменьшается. На рис. 10.7 показано изменение коэффициента теплоотдачи по длине сопла при давлении воздуха перед соплом 98 бар н температуре 2000' К, рассчитанное по формуле (10.34). В расчетах принято Т = 800' К, д,, = 50 мм. Здесь а и а„я — местные коэффициенты теплоотдачн в рассматриваемом и критическом сечениях сопла. ГЛАВА Х! ТЕПЛООТДАЧА В РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗАХ Необходимость исследования теплоотдачн в условиях разреженного газа диктуется развитием многих отраслей техники.
Значительный интерес эта проблема представляет для ракетной техники, техники эксперимента, металлургии. Здесь будет рассмотрено, главным образом, явление теплоотдачи при внешнем обтекании тел разреженным потоком газа. й !. Особенности течения и теплообмена в разреженных газах Взаимодействие поверхности теплообмена с потоками жидкости или достаточно плотного газа рассматривается на основе представлений о теплопосителе как о сплошной среде — континууме. Особенность разреженных потоков газа состоит в том, что механизм их взаимодействия с поверхностями твердых тел можно объяснить толь.
ко с учетом молекулярного строения газа. Поэтому количественные характеристики этого взаимодействия устанавливаются на основе молекулярно-кинетической теории газов. Расстояние, которое проходит молекула между соудареииями, называют длиной свободного пробега. Это расстояние различно у разных молекул и у одной и той же молекулы в разные моменты времени, Важной характеристикой совокупности молекул, составляющих поток, является средняя длина свободного пробега, которая увеличивается при уменьшении давления и увеличении температуры газа.
Когда средняя длина свободного пробега молекул имеет одинаковый порядок с размерами тела, газ называют разреженным. 390 Движение молекул газа после соударения их с поверхностью твердого тела может иметь различный характер. После соударения со стенкой молекула может зеркально отразиться от нее, но может на некоторое время остаться около поверхности.
В последнем случае движение отлетающих от стенки молекул носит диффузионный характер, т. е. молекулы симметрично рассеиваются по всем направлениям полусферы. Время пребывания молекулы около стенки определяет ее энерго- обмен с поверхностью. При зеркальном отражении энергообменв не происходит. При достаточно большом времени пребывания молекул на стенке их кинетическая энергия приходит в соответствие с температурой стенки.
Кнудсен предложил оценивать полнету обмена энергией газовых молекул со стенкой коэффициентом аккомодации, определив его как отношение энергии, переданной молекулами разреженного газа стенке, к энергии, которую они передали бы при условии, что при соударении со стенкой скорость вынужденного движения становится равной нулю, а скорость теплового движения приходит в соответствие с температурой стенки.
Коэффициент аккомодации выражается формулой о= ' длил — ко~р (11.1) нпад де~ где Е„, и Е„р — энергия падающих и отраженных от стенки молекул; ń— энергия молекул при температуре стенки. При зеркальном отражении энергия молекулы в процессе соударения не изменяется и потому а = О. При полном энергообмене о = !. Следовательно, в общем случае о = 0 — 1. Действительные значения коэффициентов аккомодации зависят в основном от природы газа, материала стенки и состояния ее поверхности. В опытах, проведенных с вбздухом при различных видах твердой поверхности, получены о = 0,87 — 0,97.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
