Димитриенко Ю.И. - Механика сплошной среды (1050318), страница 43
Текст из файла (страница 43)
 ýòîì ñëó÷àå ñîîòíîøåíèå(2.7.130) ðàññìàòðèâàþò êàê ãðàíè÷íîå óñëîâèå íà òâåðäîé ïîâåðõíîñòè, îïèñûâàþùåå êîíâåêòèâíûé ïåðåíîñ òåïëà ê ñòåíêå. Óðàâíåíèåqw = ᾱ0 (θw − θe )(2.7.139)íàçûâàþò òàêæå çàêîíîì òåïëîîáìåíà Íüþòîíà.Ñðàâíèâàÿ ôîðìóëû (2.7.104à) è (2.7.136), ìîæíî óñòàíîâèòü ñâÿçü ìåæäóαêîýôôèöèåíòîì òåïëîîáìåíàè íàïðÿæåíèåì òðåíèÿτw .Äåéñòâèòåëüíî,ïðåîáðàçóÿ âûðàæåíèå (2.7.104à) ñ ó÷åòîì (2.7.106), ïîëó÷àåìs◦µ Uτw = 0,332 2 1∞XÂûðàæàÿ îòñþäà√ρU∞ X 1=µ2ReX0,332µ2 U∞ pReX .X1(2.7.140)è ïîäñòàâëÿÿ åãî â ôîðìóëó (2.7.133), ñ ó÷åòîì(2.7.134) èìååìα0 =0,332Pr√Re1/3X1λτw X 1λτ∞ Pr1/3√ .=0,332µ2 U∞µ2 U∞ ReÏîñêîëüêó, ïî ïðåäïîëîæåíèþ,λ, µ2ècp(2.7.141) ïîñòîÿííûå è ñîâïàäàþòñî ñâîèìè õàðàêòåðíûìè çíà÷åíèÿìè, òî íà îñíîâàíèè (2.7.123) è (2.7.123à)ïîëó÷àåìα0τ√ w=cpU∞ ReÎòíîøåíèåα/cpPr2 /3.íàçûâàþò íàçûâàþò ýíòàëüïèéíûì êîýôôèöèåíòîìòåïëîîáìåíà.
Ôîðìóëà (2.7.142) óñòàíàâëèâàåò ñâÿçü ìåæäóæåíèåì òðåíèÿ(2.7.142)(α/cp )è íàïðÿ-τw .2.7.13. Ìîäåëü îñåñèììåòðè÷íîãî ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿâ ñæèìàåìîé âÿçêîé æèäêîñòèÐàññìîòðèì ìîäåëü óñòàíîâèâøåãîñÿ ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿ â ñæèìàåìîé âÿçêîé æèäêîñòè (2.7.67), îáòåêàþùåé îñåñèììåòðè÷íîå òâåðäîå òåëî.277 2.7. Ìîäåëü ëàìèíàðíîãî ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿr, ψ , z , ñâÿçàííûå ñ òâåðäûì òåëîì òà-Ââåäåì öèëèíäðè÷åñêèå êîîðäèíàòûêèì îáðàçîì, ÷òî îñüOzñîâïàäàåò ñ îñüþ öèëèíäðè÷åñêîãî òåëà (ðèñ. 2.7.5).Îðòîãîíàëüíûå êðèâîëèíåéíûå êîîðäèíàòû13r = F1 (X , X ),φ = X 2,z = F3 (X 1 , X 3 ),ãäåF1 , F3Xiâûáåðåì ñëåäóþùèì îáðàçîì:(2.7.143) íåêîòîðûå ôóíêöèè óêà-çàííûõ àðãóìåíòîâ, ïðè÷åì êîîðäèíàòíûåëèíèèX 1 = constàíàì ïîâåðõíîñòèíàïðàâëåíû ïî ìåðèäè-Σ,ëèíèèX 2 = constïî ïàðàëëåëÿì.Ïîâåðõíîñòüíèåìx3 =Σîïèñûâàåòñÿ óðàâíå-0, êîòîðîå â öèëèíäðè÷åñêèõÐèñ.
2.7.5. Êðèâîëèíåéíûå êîîðäèíàòûXiêîîðäèíàòàõ èìååò âèär = f (z),ãäå ôóíêöèþfâ ìîäåëè ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿ äëÿ îñåñèììåòðè÷íîãî òâåðäîãî òåëà(2.7.144)îïðåäåëÿþò ñëåäóþùèì îáðàçîì:r = F1 (X 1 , 0) = F1 (Z −1 (z)) = f (z),ÏîâåðõíîñòüΣ,z = F3 (X 1 , 0) = −Z(X 1 ).(2.7.145)èìåþùàÿ óðàâíåíèå (2.7.144), ÿâëÿåòñÿ ïîâåðõíîñòüþâðàùåíèÿ, è ïàðàìåòðûAαäëÿ íåå âû÷èñëÿþò ïî ôîðìóëàì (ò. 1, (3.2.155))(ñì. òàêæå óïð.
13 ê 3.2 ò. 1):r³ df´2ge11 = 1 +(z) = Ā(X 1 ),dzpĀ2 = ge22 = f (z) = r = A2 (X 1 ).Ā1 =p(2.7.146)Ïåðåõîäÿ ê áåçðàçìåðíûì âåëè÷èíàì ïî ôîðìóëå (2.7.5), ïîëó÷àåìĀ1 =A1X1= 0H10x0Ā2 =³1+³ X 3 ´2 ³ df¯´2 ´1/20X01dz̄,A2X 2X 3= 0 0 f¯.H20x0(2.7.147)Çäåñü ââåäåíû îáîçíà÷åíèÿ äëÿ áåçðàçìåðíûõ öèëèíäðè÷åñêèõ êîîðäèíàò:r̄ = f¯ = r/X03 = f /X03 ,φ̄ = φ/X02 ,Âûáåðåì õàðàêòåðíîå çíà÷åíèåäàþùèì ñx0X(2.7.148)ìåðèäèîíàëüíîé êîîðäèíàòû ñîâïà- õàðàêòåðíûì ëèíåéíûì ðàçìåðîì âñåãî îáòåêàåìîãî òåëà,õàðàêòåðíîå çíà÷åíèå2X01z̄ = z/X01 .X02îêðóæíîé êîîðäèíàòû ðàâíûì åäèíèöå (ò. å.
óãîë, èçìåðÿåìûé â ðàäèàíàõ), òîãäà õàðàêòåðíîå çíà÷åíèåX03278Ãëàâà 2. Âÿçêèå æèäêîñòè è ãàçûòðåòüåé êîîðäèíàòû, ñîãëàñíî (2.7.3), (2.7.12), çíà÷èòåëüíî ìåíüøå, ÷åìò. å.X01 = x0 ,X02 = 1,√X03 /X01 = X 2 /x0 = 1/ Re .(2.7.149)Ñ ó÷åòîì (2.7.123) âûðàæåíèÿ (2.7.121) äëÿ ïàðàìåòðîâäî ÷ëåíîâ ïîðÿäêà(1/Re)x0 ,Āαñ òî÷íîñòüþïðèìóò âèä√Ā2 (X̄ 1 ) = r̄/ Re .Ā1 = 1,(2.7.150)Áóäåì ãîâîðèòü, ÷òî ðàññìàòðèâàåòñÿ ìîäåëü îñåñèììåòðè÷íîãî ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿ â ñæèìàåìîé âÿçêîé æèäêîñòè (ãàçå), åñëè â ñèñòåìå êîîðäèíàòîêðóæíàÿ êîìïîíåíòà ñêîðîñòèv̄2 = v̄φXiòîæäåñòâåííî ðàâíà íóëþ:v̄2 = v̄φ = 0,(2.7.151)à âñå îñòàëüíûå íåèçâåñòíûå â ñèñòåìå (2.7.67)(2.7.69) çàâèñÿò òîëüêî îòêîîðäèíàòX1èX 3:Ω = Ω(X 1 , X 3 ),Ω = {v1 , v3 , θ, ρ}.(2.7.152)Òîãäà ñèñòåìà óðàâíåíèé (2.7.67), (2.7.68), (2.7.69à) ñ ó÷åòîì (2.7.150)(2.7.152) óïðîùàåòñÿ (óðàâíåíèå (2.7.68) ïðèf¯2 = 0,2ïî X ) èα=2òîæäåñòâåííî îáðàùàåòñÿâ íóëü, åñëèà â îñòàëüíûõ óðàâíåíèÿõ îáðàùàþòñÿ â íóëü âñåïðîèçâîäíûåïðèíèìàåò âèä∂ ρ̄v̄¯3 r̄∂ ρ̄v̄1 r̄= 0,+1∂ X̄∂ X̄ 3∂v̄∂pf¯1∂v̄∂ 2 v̄1ρ̄v̄1 11 + ρ̄v̄¯3 13 = − e1 + µ̄2+,Fr∂ X̄∂ X̄∂ X̄∂(X̄ 3 )2(2.7.153)(2.7.154)³ λ̄ ∂ ī0 ´³´ ∂ 2 v̄ 2∂ ρ̄v̄1 r̄ī0∂ ρ̄v̄¯3 ī0∂µ̄2λ̄1¯+v̄=+1−+3r̄ ∂ X̄ 12Euµ̄2 c̄p ∂(X̄ 3 )2∂ X̄ 3∂ X̄ 3 c̄p ∂ X̄ 3λ̄ ∂c̄p ∂v̄12ρ̄f¯1 v̄1ρ̄q̄+++ m.233EuFrFk2Euc̄p ∂ X̄ ∂ X̄1(2.7.155)Ñ ó÷åòîì óðàâíåíèÿ íåðàçðûâíîñòè (2.7.133), óðàâíåíèå èçìåíåíèÿ ïîëíîéýíòàëüïèè (2.7.155) ìîæíî çàïèñàòü â ýêâèâàëåíòíîì âèäå:³ρ̄v̄1∂ ī0∂λ̄ ∂ ī0∂ ī0¯=+ρ̄v̄3∂ X̄ 1∂ X̄ 3∂ X̄ 3 c̄p ∂ X̄ 3´++µ̄22Euλ̄³1´−λ̄∂ 2 v̄12+µ̄2 c̄p ∂(X̄ 3 )2∂v̄ 2ρ̄f¯1 v̄1ρ̄q̄m∂c̄p1+332Eu c̄p ∂ X̄ ∂ X̄2Eu Fr2.7.14.
Àíàëîãèÿ ÐåéíîëüäñàÒåîðåìà 2.7.1.Ïóñòü âûïîëíåíû ñëåäóþùèå óñëîâèÿ:+Fk.(2.7.156)279 2.7. Ìîäåëü ëàìèíàðíîãî ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿ1) òåïëîåìêîñòüîòθ̄c̄p , òåïëîïðîâîäíîñòü λ̄ è âÿçêîñòü µ̄2ãàçà íå çàâèñÿòè ÿâëÿþòñÿ êîíñòàíòàìè, ïðè÷åì âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèåPr= µ̄2 c̄p /λ̄ = 1;(2.7.157)2) âíåøíèå ìàññîâûå èñòî÷íèêè îòñóòñòâóþò:f¯1 = 0,3) äàâëåíèåpeq̄m = 0;(2.7.158)â ïîãðàíè÷íîì ñëîå íå çàâèñèò îòX1 ,ò. å.∂pe /∂X 1 = 0,(2.7.159)òîãäà óðàâíåíèå äâèæåíèÿ (2.7.154) è óðàâíåíèå èçìåíåíèÿ ïîëíîé ýíòàëüïèè (2.7.156) ïîäîáíû, è èõ ðåøåíèÿ îòëè÷àþòñÿ òîëüêî äâóìÿ êîíñòàíòàìè:v̄1 = c1 ī0 + c2 .HÄåéñòâèòåëüíî,ñó÷åòîìäîïóùåíèé(2.7.160)(2.7.157)(2.7.159)óðàâíåíèÿ(2.7.154) è (2.7.156) èìåþò âèäρ̄v̄1∂v̄1∂v̄1∂ 2 v̄1+ρ̄v̄=µ̄,32∂ X̄ 1∂ X̄ 3∂(X̄ 3 )2(2.7.161)ρ̄v̄1∂ ī0∂ ī0∂ 2 ī0+ρ̄v̄=µ̄.32∂ X̄ 1∂ X̄ 3∂(X̄ 3 )2(2.7.162) ñèëó ïîäîáèÿ ýòèõ óðàâíåíèé, ëåãêî óáåäèòüñÿ â òîì, ÷òî åñëèi0 (X̄ 1 , X̄ 3 ) ðåøåíèå óðàâíåíèÿ (2.7.156), òî ôóíêöèÿ (2.7.160) ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèåì óðàâíåíèÿ (2.7.161).NÏîäîáèå ðàñïðåäåëåíèé ñêîðîñòèv̄1è ïîëíîé ýíòàëüïèèī0â ïîãðàíè÷íîìñëîå íàçûâàþò àíàëîãèåé Ðåéíîëüäñà ìåæäó òåïëîîáìåíîì è òðåíèåì(íàçâàíèå ðàçúÿñíèì íèæå).
Ýôôåêò âîçíèêíîâåíèÿ ýòîãî ïîäîáèÿ ïðè Pr=1ðàññìàòðèâàëñÿ ðàíåå äëÿ ïëîñêîãî ñëó÷àÿ (ñì. ï. 2.7.11).Ïóñòü ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ (2.7.52) è (2.7.53) â äàííîé çàäà÷å èìåþò ñëåäóþùèé âèä:íàòâåðäîéñòåíêåX̄3 = 0 :v̄1 = 0,íà âíåøíåé ãðàíèöå ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿθ̄ = θ̄w ,X̄3 = h :v̄1 = v̄1e ,(2.7.163)θ̄ = θ̄e .Îáîçíà÷èì ýíòàëüïèþ íà òâåðäîé ñòåíêå è íà âíåøíåé ãðàíèöå ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿ ñîîòâåòñòâåííî:īw = ī(0, X̄ 1 ),īe = ī(h, X̄ 1 ).(2.7.164)280Ãëàâà 2. Âÿçêèå æèäêîñòè è ãàçûÒîãäà, çàïèñûâàÿ àíàëîãèþ Ðåéíîëüäñà (2.7.160) â íåêîòîðîé ôèêñèðîâàííîé òî÷êåX̄ 0íà òâåðäîé ñòåíêå è íà âíåøíåé ãðàíèöå ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿ,ïîëó÷àåìX̄ 3 = 0 :3X̄ = h :c̄1 īw + c̄2 = 0,c̄1 ī0e + c̄2 = v̄1e ,c1 ñèñòåìó äëÿ íàõîæäåíèÿc1 =èī0ec2 ,ãäåī0e = īe + (v̄12e /2Eu)(2.7.165)ðåøèâ êîòîðóþ, íàõîäèìv̄1e,− īwc2 = −v̄1e īw.− īw(2.7.166)ī0eÏîäñòàâëÿÿ âûðàæåíèÿ (2.7.166) â (2.7.160), ïðèõîäèì ê ñëåäóþùåé ôîðìåàíàëîãèè Ðåéíîëüäñà:v̄1ī0 − īw.= 0v̄1eīe − īw(2.7.167)Ñ ïîìîùüþ àíàëîãèè Ðåéíîëüäñà ìîæíî íàéòè âûðàæåíèå äëÿ òåïëîâîãîïîòîêà íà òâåðäîé ñòåíêå:q̄w = −λ̄(∂ θ̄/∂ X̄ 3 )X̄3=0 .Ïóñòü ãàç ÿâëÿåòñÿ ñîâåðøåííûì, òîãäà ñîãëàñíî (2.7.37) è (1.1.67) äëÿïîëíîé ýíòàëüïèè ïîëó÷àåìZθ̄ī = ī0 +ī0 = ī +c̄p dθ̄,v̄122Eu(2.7.168),θ̄0è, ñëåäîâàòåëüíî,∂ ī0v̄ ∂v̄1∂ θ̄= 1+ c̄p.33Eu ∂ X̄∂ X̄∂ X̄ 3(2.7.169)Çàïèøåì ñîîòíîøåíèå (2.7.169) äëÿ òâåðäîé ñòåíêè.
 ñèëó òîãî, ÷òî íàíåév̄1 = 0,èìååìµ¶∂ ī0= c̄p =∂ X̄ 3 X̄ =0µ3¶∂ θ̄c̄= − p q̄w .3λ̄∂ X̄ X̄ =0(2.7.170)3Ïîäñòàâèì â ôîðìóëó (2.7.170) àíàëîãèþ Ðåéíîëüäñà (2.7.167) è, ó÷èòûâàÿ, ÷òîv̄1e , ī0e−q̄w =èīw íå çàâèñÿòµ 0 ¶λ̄c̄pîòX̄ 3 ,∂ īλ̄=3c̄p v̄1e∂ X̄ X̄ =03ïîëó÷àåì³ ∂v̄ ´1∂ X̄ 3 X̄ =03(ī0e − īw ).Ââåäåì áåçðàçìåðíûé êîýôôèöèåíò òåïëîîáìåíàᾱ(2.7.171)äëÿ îñåñèììåòðè÷íîãîîáòåêàíèÿ ñ ïîìîùüþ ôîðìóëûᾱ/c̄p =q̄w.īw − ī0e(2.7.172)281 2.7.
Ìîäåëü ëàìèíàðíîãî ïîãðàíè÷íîãî ñëîÿÏîäñòàâëÿÿ â (2.7.172) âûðàæåíèå äëÿ (2.7.171), íàõîäèìᾱ =λ̄v̄1e³ ∂v̄ ´1∂ X̄ 3 X̄ =0.(2.7.173)3Ôîðìóëó (2.7.171), çàïèñàííóþ â âèäåq̄w = −(ᾱ/c̄p )(ī0e − īw ),(2.7.174)øèðîêî èñïîëüçóþò íà ïðàêòèêå.Ñðàâíèì ôîðìóëó (2.7.172) ñ ïîäîáíîé åé ôîðìóëîé (2.7.165) äëÿ ïëàñòèíû. ñëó÷àå, êîãäà:1) òåïëîåìêîñòü ïîñòîÿííà:c̄p =const (à èìåííî òàêîå äîïóùåíèå áûëîñäåëàíî ïðè âûâîäå ôîðìóëû (2.7.165) äëÿ ïëàñòèíû);2) ïîëíàÿ ýíòàëüïèÿ ìàëî îòëè÷àåòñÿ îò ýíòàëüïèèìåñòî, êîãäà ñêîðîñòü¿ ī;v̄1ī: ī0 ≈ īîòíîñèòåëüíî íåâåëèêà, òàê ÷òî(ýòî èìååòv̄12 /(2Eu) ¿ýòî óñëîâèå âûïîëíÿåòñÿ, â ÷àñòíîñòè, â îêðåñòíîñòè êðèòè÷åñêîéòî÷êè),ïîëó÷àåìī0e − īw ≈ īe − īw = c̄p (θ̄e − θ̄w ).Ñëåäîâàòåëüíî,òåïëîîáìåíàᾱ0 ,ôîðìóëû(2.7.165)è(2.7.174)îïðåäåëåííûé ïî (2.7.157), èᾱ,ñîâïàäàþò,àêîýôôèöèåíòîïðåäåëåííûé ïî (2.7.172),òàêæå ñîâïàäàþò.Ïîñêîëüêó ñîîòíîøåíèå (2.7.165) áûëî óñòàíîâëåíî òîëüêî ïðè ïîñòîÿííîé òåïëîåìêîñòèc̄p ,òî áîëåå îáùåé ôîðìóëîé ÿâëÿåòñÿ ôîðìóëà (2.7.172),ââîäÿùàÿ êîýôôèöèåíò òåïëîîáìåíàᾱáåç çàäàííîãî äîïóùåíèÿ.Âûðàæåíèÿ äëÿ ðàçìåðíîãî êîýôôèöèåíòà òåïëîîáìåíàïîòîêàqwèìåþò âèäα=λᾱλ0=x0v1 e³ ∂v ´1∂X 3 X =03,qw =αè òåïëîâîãîq̄w λ0 θ0.x0(2.7.175)Òîãäà ñ ó÷åòîì ôîðìóë (2.7.40à), ñâÿçûâàþùèõ áåçðàçìåðíûå ýíòàëüïèþ èòåïëîåìêîñòü ñ ðàçìåðíûìè çíà÷åíèÿìè:i0e = ī0 e0 , iw = īw e0 ,îò (2.7.173)ïðèõîäèì ê àíàëîãè÷íîé ðàçìåðíîé ôîðìóëå äëÿ òåïëîâîãî ïîòîêà:qw = (α/cp )(i0e − iw ).(2.7.176)Ñîîòíîøåíèå (2.7.176) ïðèìåíÿþò äëÿ çàäàíèÿ òåïëîâîãî ïîòîêà, îïèñûâàþùåãî êîíâåêòèâíûé òåïëîîáìåí ìåæäó òâåðäîé ïîâåðõíîñòüþ è ïîãðàíè÷íûì ñëîåì.
Êîýôôèöèåíò òåïëîîáìåíàèçâåñòíûì, òàêæå êàê è ýíòàëüïèþī0e .αïðè ýòîì, êàê ïðàâèëî, ïîëàãàþòÒàêàÿ ñèòóàöèÿ âîçíèêàåò, íàïðèìåð,â çàäà÷å îá îïðåäåëåíèè òåìïåðàòóðíîãî ïîëÿ â îñåñèììåòðè÷íîì òåëå, îáòåêàåìîì ãàçîâûì ïîòîêîì, ïàðàìåòðû êîòîðîãî ïîëàãàþò èçâåñòíûìè (ò. å.óñòàíîâëåííûìè ïðåäâàðèòåëüíî).282Ãëàâà 2. Âÿçêèå æèäêîñòè è ãàçûÄëÿ óñòàíîâëåíèÿ çíà÷åíèé êîýôôèöèåíòà òåïëîîáìåíàα÷àñòî èñïîëü-çóþò ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå ïî îáòåêàíèþ òåë ãàçîâûìè ïîòîêàìè, ïðèýòîì ïðèìåíÿþò âûðàæåíèå äëÿ òðåíèÿτw ,ïðåäñòàâëÿþùåãî ñîáîé êàñàòåëü-íóþ êîìïîíåíòó òåíçîðà âÿçêèõ íàïðÿæåíèé (ñì.
(2.7.23) è (2.7.104à)):τw ≡µ0 v0µ v √(T̄v13 )X =0 = 0 0 Re µ̄2x0x0³ ∂v̄ ´13∂ X̄ 3 X =0=√Re3µ2³ ∂v ´1∂X 3 X =0,3(2.7.177)à òàêæå ìåñòíîå ÷èñëî Ïðàíäòëÿ PrX :PrX=³µ c ´2 pλX 3 =0= 1,(2.7.178)êîòîðîå ðàâíî åäèíèöå, â ñèëó (2.7.157).¯Îòìåòèì, ÷òî ÷èñëà Pr è Pr¯ /Pr.= Pr= (µ2 cp /λ)X3=0 ñâÿçàíû ñîîòíîøåíèåì PrX=Ïîäñòàâëÿÿ (2.7.177) â (2.7.175), ïîëó÷àåì ñîîòíîøåíèå ìåæäó ýíòàëüïèéíûì êîýôôèöèåíòîì òåïëîîáìåíà è íàïðÿæåíèåì òðåíèÿ:αλ=cpcp v1eèëè â ñèëó (2.7.178)³ ∂v ´1∂X3X =0=3λτw√ ,µ2 cp v1e Re(2.7.179)ατw√ .=cpv1e Re(2.7.180)Ñðàâíèì ôîðìóëó (2.7.180) ñ àíàëîãè÷íîé ôîðìóëîé (2.7.142) äëÿ ïëàñòèíû.
Ôîðìóëà (2.7.142) áûëà ïîëó÷åíà äëÿ ïîñòîÿííûõλ, µ2ècp ,íî ïðè÷èñëå Ïðàíäòëÿ, âîîáùå ãîâîðÿ, îòëè÷íîì îò åäèíèöû, à ôîðìóëà (2.7.180),= PrX = 1, íî ïðè λ, µ2 è cp , âîîáùåêîãäà Pr = 1 è λ, µ2 , cp êîíñòàíòû,íàîáîðîò, ïðè Pr ñëó÷àå,(2.7.180) ñîâïàäàþò.ãîâîðÿ, ïåðåìåííûõ.ôîðìóëû (2.7.142) è.