Дзюбенко Б.В., Дрейцер Г.А., Ашмантас Л.-В.А. - Нестационарный тепломассообмен в пучках витых труб (1062122), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Исследования структуры потока в пучках витых труб показали, что при обтекании мест контакта труб в следе наблюдается турбулентное течение с высоким уровнем турбулентности. В то же время площадь точек касания труб составляет менее 3% всей поверхности труб. Критерий Ег (1.113) был получен в предположении, что в винтовых каналах пучка поток теплоносителя закручивается по закону квазитвердого вращения 5 «« ' = сопа$ и что поле центробежных сил оценивается ускорением, определенным по максимальной тангенциальной скорости закрутки потока.
При этом критерий Гг может быть связан с критерием, по форме напоминающим критерий Фруда, где ускорение свободного падения заменено на ускорение центробежных сил [39). Критеий Ргм учитывает особенности течения и тепломассопереноса в пучках витых труб. Пористость т влияет в основном только на процесс межканального перемешивания. Чем меньше т, тем меньше интенсивность поперечного тепломассопереноса. Особенности тепломассопереноса при стационарных условиях в пучке с закрученными витыми трубами связаны с применяемыми законами закрутки витых труб относительнс оси пучка. Так,при закрутке витых труб по радиусу пучка с постоянным углом закрутки г = солями(«) поток дополнительно закручивается по закону ч« = сопаФ, т.е.
тангенциальная скорость потока на различных радиусах пучка будет одинаковая. В этом случае независимо от радиуса пучка можно ожидать отсутствия влияния закрутки витых труб относительно оси пучка на коэффициент К, если азимутальный перенос будет учитываться конвектчвными членами в уравнениях движения и энергии (см. разд. 1.2) . В случае закрутки витых труб относительно оси пучка по 45 закону Ь', = сопа$ (г), когда поток теплоносителя дополнительно закручивается,по закону квазитвердого вращения коэф. фициент К должен зависеть от радиуса пучка, поскольку при таком законе закрутки наблюдается резкое увеличение уров.
ня турбулентности в приосевой области пучка и уменьшение интенсивности турбулентности в периферийной зоне пучка. Аналогичная картина наблюдается вблизи аксиально-лопаточ ных завихрителей [47) . Особенности тепломассопереноса для нестационарных условий протекания процессов определяются не только закруткой потока, но и связаны с изменением турбулентной структуры потока в пристенной области течения. Механизм нестационарного тепломассопереноса в этой области будет определяться в основном теми же процессами, что и в случае нестационарного теплообмена в круглых трубах [24]. Этот механизм рассмотрен в разд. 1.3, На нестационарные температурные поля теплоносителя в пучке витых труб, как уже отмечалось, влияют механизмы переноса, характерные для стационарных процессов перемешивания теплоносителя.
Если основываться на методах теории подобия, то из полной системы уравнений, описывающей нестационарное течение жидкости с теплообменом, можно определить критерий Фурье (тепловой гомохронности), характеризующий связь между скоростью изменения поля температур теплоносителя, его физическими свойствами и размерами области течения [27): ~вт Роь = (1.118) срРЬчк и являющийся определяющим критерием при описании нестационарных процессов с помощью критериальных уравнений. Тогда безразмерный нестационарный эффективный коэффициент диффузии будет определяться следующей критериальной связью: (1.119) К„= К (Ке, Ргм,т, Роь ), Эта зависимость должна быть установлена экспериментально, Более удобной формой представления опытных данных по не- стационарному тепломассопереносу является введение понятия относительного коэффициента перемешивания к = К„/Ккс, где К вЂ” квазистационарное значение безразмерного эффективного коэффициента турбулентной диффузии, Тогда критериальная зависимость будет иметь вид: к = к (Еоь, ь"г~, Ве) .
(1.120) 50 При этом в (1.120) не входит пористость пучка по теплоносителю т, так как эта величина в одинаковой степени влияет на коэффициенты К„и Ккс для рассматриваемого пучка витых труб. В критериальное уравнение (1.120) могут входить и другие параметры, определяющие воздействие на коэффициент к нестационарных граничных условий.
К ним относятся критерии нестапионарности, параметры типа дХ~дт и др. Подробно воздействие различных факторов на нестационарный тепломассоперенос в пучках витых труб будет рассмотрено в гл. б При экспериментальных исследованиях нестационарных и стационарных тепломассообменных процессов большое внима. ние уделялось расширению возможности моделирования и переносу опытных данных, полученных в одних условиях, для расчета конкретных теплообменных аппаратов и устройств.
В работе используются результаты исследования структуры потока для объяснения и анализа механизмов переноса в пучках витых труб и новых обнаруженных эффектов, рассматриваются различные методы обработки и обобщения полученных опытных данных. Для проведения экспериментальных исследований были разработаны различные методы, которые учитывали специфические особенности конструкций продольно обтекаемых пучков витых труб и особенности протекания нестационарных тепломассообменных процессов. При исследовании нестационарного тепломассопереноса необходимо выявить влияние различных факторов на коэффициенты переноса, проанализировать структуру потока как для нестационарных, так и стационарных условий, использовать новейшие средства измерения и управления экспериментом, устройства сбора и обработки опытных данных с выходом на ЭВМ.
Применение таких автоматизированных систем проведения эксперимента позволяет увеличить надежность полученных результатов. Экспериментальные и теоретические методы решения проблемы хорошо дополняют друг друга и позволяют выдать надежные рекомендации по расчету нестационарных и стационарных полей температур. Глава 2 МЕТОДЫ ЭКСЛЕРИЕЕЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ 2.1. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ В НЕСТАЦИОНАРНЫХ И СТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЯХ Методы экспериментального исследования перемешивания теплоносителя в поперечном сечении пучка витых труб на стационарном режиме были рассмотрены в работе )39]. Это— классические методы исследования переносных свойств потока: методы диффузии тепла (вещества) от точечного источника, непрерывно испускающего нагретые частицы воздуха (или газа другого рода) в основной поток, и метод диффузии тепла от линейного источника, трансформированные с учетом особенностей течения в пучке витых труб, а также его конструкции.
При этом для проведения экспериментов и обработки опытных данных использовалась гомогенизированная модель течения, Измерения полей температуры и скорости потока проводились вне пристенного слоя, а теоретически рассчитанные поля температуры теплоносителя и скорости потока были непрерывны в ПРеделах диаметра кожуха пучка. При этом считалось, что в пучке течет двухфазная гомогенизированная среда с неподвижной твердой фазой. При исследовании эффективного коэффициента турбулентной диффузии в прямом пучке витых труб первым методом диаметр источника диффузии был равен диаметру витой трубыа', а сам источник пере.
мещался относительно выходного сечения пучка, где производились измерения полей скорости. Однако эти отклонения от известного метода диффузии не стали препятствием для использования понятия точечного источника в пучке витых труб при достаточно больших расстояниях от него, где измеренные поля температур практически не отличались от гауссовского распределения ~391 . Этот метод, основанный на статистическом лагранжевом описании турбулентного поля при изучении истории движения индивидуальных частиц, непрерывно испускаемых источником, используется в данной работе и для определения эффективных коэффициентов турбулентной диффузии в закрученном пучке витых труб, но при неподвижных источниках диффузии.
Метод диффузии тепла в поле равных скоростей от неподвижного источника диффузии основывается на использовании предельных решений уравнения Тэйлора для однородной и изотропной турбулентности ( ~е й' =,ЕЧ = ~Е и ' = ч, ), Š— ( У ) = ) (Ео)» (Е') еЕЕ'. (2.1) 2 Ео Известно, что при турбулентном движении, которое носит хаотический характер, две произвольные частицы движутся таким образом, что с течением времени расстояние между ними возрастает.
При большом числе частиц, испускаемых источником, через некоторый промежуток времени одни частицы переместятся в одном направлении, а другие — в противоположном, так что при изотропной и однородной турбулентности распространение частиц будет симметричным относительно оси источника..Это и наблюдалось в экспериментах, где измерялись поля температур в поперечном сечении пучка [39). Однородность турбулентности во времени, т.е.
турбулентное поле с одинаковыми значениями величины чЕ о' во всех точках, позволяет в этом случае производить усреднение по большому числу частиц, которые начинают движение в последовательные моменты времени. Расстояние, пройденное меченой частицей при поперечном перемешивании теплоносителя в направлении у с начального момента времени е, = 0 до момента е, равно У (Е) = — ) ое (Е ) еЕЕ, (2.2) О а выражение для среднестатистического квадрата перемещения определяется следующим образом: г Оу — — у ' = у — =уч, (Е = че (Е))те(Е') «ЕЕ'. (2.3) 2 ОЕ Ие О Черта в выражении (2.3) означает усреднение.
Если в соответствии с теорией Тэйлора разделить время на и промежутков и провести в каждом промежутке суммирование по всем частицам, то среднее значение произведения равно ог(Е) (че (Е') еЕЕ = о', Яе, (2.4) О где еег — коэффициент временной корреляции между значениями скорости в моменты е и — е, где р — порядковый номер о некоторого промежутка, поскольку величина ое имеет одно и то же значение в моменты е и — е. Если промежуток между Е 53 этими моментами времени обозначить г и перейти к пределу при возрастании и, тогда вместо г/ л можно ввести элемент Ыг и среднее значение произведения в (2.4) будет равно ч', кгдг. Тогда 4 — ( — уо )=»', (л г1т, (2.6) ~С 2 о При большом времени диффузии коэффициент й, = ч,А = ! = ч', ) Лфг, где Л вЂ” пространственный масштаб вихревой о диффузии, и после интегрирования выражения (2,6) имеем 2П ох у' = 2П,г+ сопй= + сопз$. (2.6), и В выражении (2,6) принято, что время диффузии т = х(и.
Это условие справедливо, если скорости пульсаций невелики по сравнению со скоростью потока и. В пучках витых труб это условие в первом приближении выполняется. В координатаху', х прямая (2.6) отсекает от оси абсцисс отрезок х,, и постоянная в уравнении (2,6) равна величине 20,хо / и. Тогда из эксперимента, зная распределение температур теплоносителя на различных расстояниях от источника диффузии и определив величины у' для каждого распределения, можно определить коэффициент ь", из предельного решения уравнения Тэйлора (2.1) для большого времени диффузии и, у' = 2 — (х -хо). (2.7) и Из опытов [39] было обнаружено, что распределения безразмерной избыточной температуры в пучке витых труб подчиняются распределению Гаусса т-т, у' о = ехр(- — ) (2.8) т -т, 2у г где Т, — температур основного потока; Тм — максимальная температура на оси струи, истекающей из источника диффузии.
Этот эффект закономерен, поскольку на больших удалениях от источника статистически всегда успевает установиться распределение Гаусса независимо от распределений скоростей пульсаций. На малых расстояниях от источника (при малом времени диффузии) предельное решение уравнения Тэйлора (2.1) имеет вид — о1 о ,ог хо (2.9) 54 Однако в пучках витых труб эта связь практически не реализуется (39) Это можно объяснить как влиянием конечности размеров источника и неравномерности поля скорости в ядре потока, так и загромождением исследуемого потока витыми трубами. Это приводит к тому, что нагретые частицы вблизи устья струи успевают пройти большое число не коррелированных между собой различных путей от источника до рассматриваемой точки, хотя распределения пульсационных скоростей при числах Ке ) 104 в ядре потока и приближаются к нормальному закону распределения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
