Дзюбенко Б.В., Дрейцер Г.А., Ашмантас Л.-В.А. - Нестационарный тепломассообмен в пучках витых труб (1062122), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Из более поздних работ сле дует отметить монографии [5, 33), работы, в которых изуча лись профили скоростей и их пульсаций при ускорении и за медлении потока в трубах [2, 23, 29, 53, 54, 58), пульсации температур при изменении расхода жидкости [44), нестацио парные коэффициенты гидравлического сопротивления [7, 30). Вначале рассмотрим нестационарное изотермическое турбу лентное течение и структуру потока в трубе. Качественньп' анализ этого вопроса был выполнен в работе [26), где длт нестационарного осесимметричного течения несжимаемой жид кости в трубе уравнение движения после сравниваемой оценкт членов было записано в виде д.
ди ди др т» дтх р — + ри — +ри,— =- — + — + (3.18) дт дх ' дг дх г дг р ди'„ 2 2 дг диг д.г др р — + рц — = — — + дт г дг дг (3.19) и уравнение неразрывности д. т д — + — — (гиг) = О, дх г дг (3.20) где касательное напряжение ди ,= (р+рт) д дг ' (3.21) иг — радиальная составляющая скорости. ниям / и" /им, А,,р/д в межканальное перемешивание поз. воляет сделать вывод, что основной вклад в этот процесс вно. сит организованный конвективный перенос теплоносителя из одной ячейки пучка в другую по винтовым каналам труб В качестве масштаба процесса межканального перемешивание поэтому можно рассматривать диаметр пучка витых труб Определенный вклад в процесс тепломассопереноса вносит конвективное движение в поперечном сечении ячеек пучка приводящее к интенсивному обмену порциями жидкости меж.
ду пристенным слоем труб и ядром потока [3) . ц квазистационарном случае эти уравнения примут вид ( — ) = — — (ттх кс); и„= 0; — = О. (3.22) д ди дх кс тх ( ) т др (3.25) 2 дх кс Доля градиента давления, расходуемая в нестационарном процессе на преодоление касательных напряжений, др тх дтх т д ( — ) = — + = — — (ттх) (3.26) дхт т д» т дт согласно (3.18) равна др др ди ди ди — ( — ) = - — -р — -ри — — ри— д, д.
д. д. д. (3.27) откуда видно, что она переменна по радиусу. ди При ускорении потока ( — > О) член — (др/дх) т монотонно убывает от -др/дх на стенке до минимума - ( — ) др дх на оси трубы. Из' сопоставления (3.24) и (3.27) следует, что < д ) , < ( др др (3.28) дх т , ' дх , дх Характер роста модуля касательного напряжения по радиусу от оси к стенке 1тх (тИ = ! — / -т( — ) сгт! 1 " др (3.29) т о дх т др описывается кривой, возрастающей более круто, чем ~ —— 84 Для квазистационарного течения градиент давления определяется из одномерного уравнения движения в предположении ( р) (3.23) дх кс 2д При пренебрежении массовыми силами — ( — ) = — — — р — -ри —. др др ди ди (3.24) д» „, д дт дх Градиент давления постоянен по радиусу.
Отсюда из (3.22) следует линейное распределение касательного напряжения по радиусу Поэтому при ускорении потока касательное напряжение в ядре потока меньше квазистационарного значения. Это возможно лишь при уменьшении в ядре интенсивности турбулентных пульсаций — рйи„= р ди/дг. Ликвидация отставания иь тенсивности турбулентных пульсаций в ядре потока от квази- стационарных значений может быть достигнута вследствие более интенсивной (чем квазистэцнонарная) диффузии кипе. тической энергии турбулентного движения Ег — — ри;и /2 из пристенной области. Для этого необходимо, чтобы порожде.
ние Ет около стенки — ри'и„' ди/дг превышало квазистационар ное значение, Это возможно, если около стенки увеличиваются одновременно,/ и„' ра'и, и ди/дг. Но это требует наличия у стенки и градиента скорости, и касательного напряжения больше квазнстацио]5арных. На рис. 1.5 представлены качественные изменения йрофилей касательного напряжения т, турбулентной вязкости'сс и скорости и для ускоренйого и замедленного во времени течений и их сопоставление с квазистацио. парными значениями т„„„ес„с, и „„ упомянутый характер распределения скоростей, турбулентных пульсаций и касательных напряжений согласуется с экспериментальными данными С.Б.
Маркова 123] для плос. кого канала и В,И. Букреева, В.М. Шахина ]2] для круглой трубы, С.Б. Марков показал. что при ускорении потока средне. квадратичное значение продольнои пульсационной состав. ляющей скорости около стенки выше, а при замедлении — ниже стационарного распределения, тогда как для поперечной составляющей в измеренной области имеет место обратное соотношение. В области вблизи стенки турбулентное трение при ускорении больше, а при замедлении — меньше, чем при равномерном движении. Весьма существенно нестационарность влияет на коэффициент гидравлического сопротивления в трубах (]5Р/дх] -р — "Ы дт (3.30) Р "и 5 При ускорении потока ~ больше своего квазистационар.
ного значения $„с ($Д с ) 1), при замедлении — меньше ($ /1 кс < 1), причем отличие ~ Д „с от 1 тем больше, чем больше ускорение или замедление потока, Однако количественна имеющиеся данные значительно между собой расходятся. Нап. ример, данные Дейли, Хенрея„Олайва и Иордана, полученные 85 за ""и на воде при Ке < 5 10' и -0,3 « —,, — 0,3, обобща- сксаи ются зависимостью К~= — =1+ скс ""и С (3.31) скс "й К» = ехр[-20К,]+ 20К, ' ехр(1+К,). (3.32) г+ ток, Значительно меньшим влияние нестациоварности получается по данным С.Б. Маркова [23] и Д,Н. Попова [33].
С.Б. Марковым были получены следующие зависимости: Кс = — 0,43 ехр (- 23 — ) + 1,43 кс (3.33) при 0 < Кс ! Ке < 0,214; кс з кс кс Кз = [12,76( — ) — 1,38 — + 1] ехр(3,67 — ) (3.34) «с при — 0,301 « — О, причем Кс и Ве определены по высоте плоского канала Н. Д,Н. Поповым для ускоренных течений в трубе диаметром д = 27 мм и длиной ~ = 600 мм при К,', = ааи а "и з = 0„.80иКр = — — 1, ! =0...2000 с кс" й 32с си ат~ была получена зависимость Кс = 1+ асК,', +а,[ехр(аз + азКн) Кс 1], где аз =0,07; а, =32:; аз =0,1 10 ~; аз=0,8 10 (3.35) 86 где С = 0,01 при ускорении и 0,62 — при замедлении.
По экспериментальным данным А,М. Айтсама, Л.Л. Паапа, У.Р. Лийва, полученным при максимальном Ве = 16,5 10' и а "и — 1,25 « —, — 0,8, коэффициент С = 1,28. с, ат Еще больше влияние нестационарности было получено в экспериментах И.С. Коченова и Ю.Н. Кузнецова (вплоть до ~ < 0 при замедлении) и С.В. Денисова. В последней работе аи 1 а'й для К, = —,— = 0,04 ... 0,43 иК, = — а' — = 0,12... и„ ат И атз ...
0,86 при ускорении потока Н.М. Гулин, Г,В. Ринейская, Л.И, Иноземцева (7] для ускс ренных течений в трубе предлагают зависимости: 3,64й й ип г (3.36 Сксийиг 1 Д лип для0( — —, — < 0,055и скс ий 14 П лип К~ = 12+ скс ий (3.37 1 4 Ыип для 0,055 А — —, — < 0,12. скс ип Проведенные исследования достаточно убедительно пока зывают неправомерностгг квазистационарного метода расчет гидравлических потерь в общем случае н в то же время из-э больших количественных расхождений не позволяют надежи установить границы применимости квазистационарной мета дики.
Весьма ограниченны данные по турбулентной структур нестационарных неизотермических течений в каналах. В рабо те Б.В. Перепелицы, (О.И. Пшеничникова, Е.М. Хабахпашевог [44] представлены результаты измерений статистически: характеристик пульсаций температуры в нестационарном тур булентном потоке воды в диапазоне чисел Рейнольдса Ве = = (1,36 ... 6,1) 10' н частотах колебаний расхода от 0,4 до 4 Гп Эксперименты проводились в канале прямоугольного попереч ного сечения с обогревом одной стенки и при наличии предва рительного участка гидродинамической стабилизации, Н входе в рабочий участок устанавливался пульсатор, создаю щий колебания расхода жидкости.
Мгновенные значения рас хода изменялись до 5 раз. Поскольку тепловыделение в обог реваемой стенке при этом не менялось, при увеличении расхо да температура стенки должна падать, а при замедлении — воз растать. Соответственно изменяется по времени и температур; потока вблизи стенки. Характер перестройки усредненног< профиля температуры во времени виден из распределения око рости изменения температуры 5 Т]д т в течение одного периода На рис. 3.6 представлено изменение величины дТ]дт от фазь колебания расхода на различных расстояниях от стенки. Рас ход жидкости через канал падает в промежуток времени д Т/д г между 0,3 и 0,5 ...
0,6 н возрастает между 0,5 ... 0,6 и 1. Каь видно из рисунка, наиболее сильный рост температуры наблю 37 х ускй -Ю 0 ОУ 1 ~~та У йу 1 а/~~ Рис. 8.6. Скорость изменения температуры потока иа различвых расстояииях от стенки в зависимости от времени при йе = 48500 и частоте 0,5 Гц [44]: те — период пульсаций расхода; и — половина ширины канала; у— расстояиие от стенки г-г„~с ят, Г 3 а,у 1'те 3 ау Рис, 3.7.
Изменение локальиой температуры потока и интенсивности температурных пульсаций от в зависимости от времени в различиых точ. ках сечения канала йри йе = 48500 и частоте 0,5 Гц ]44]: 1 ... 3 — у/Н = 0,002, 0,009, 0,03; Т, — температура потока вдали от стенки дается в области вязкого подслоя в начале замедления расхода, а наиболее сильно профиль температуры перестраивается в промежуточной зоне. Перестройка профиля температуры приводит к существенному перераспределению уровня интенсивности температурных пульсаций по сечению канала. Как видно из рис.3.7, изменение температуры потока однозначно связано с изменением во времени расхода и минимальному значению расхода практически соответствуют минимальные значения температуры потока на различных расстояниях от стенки.
В пристен- 88 ной области (определяемой по толщине вязкого подслоя. рассчитанной по квазистационарным зависимостям) мини. мальному расходу соответствует минимум интенсивности тем пературных пульсаций о . По мере удаления от стенки харак тер зависимости е от времени меняется и фазе минимальногс расхода могут соответствовать наиболее интенсивные темпе. ратурные пульсации. Для обобщения опытных данных и созда ния теоретических моделей явления необходимы данные с полях усредненных и пульсационных составляюьцих скорое тей, а также о трении на стенке в условиях нестационарных не. изотермических течений. 3.3. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ нестдциондвных темпевдтуяных полей ПРИ РАВНОМЕРНОМ НАГРЕВЕ ВИТЫХ ТРУБ Исследование формирования нестационарных полей темпе ратуры при равномерном нагреве ьитых труб осуществлялось на пучке, состоящем из 37 витых труб, установленных в шести гранную кассету с продольным разъемом (см.
рис. 2.3) . Оваль. ного профиля витые трубы изготовлены из коррозионно-стой. ких стальных трубок ф 10Х0,5 мм марки Х18Н10Т. Длина пучка 1000 мм, относительный шаг закрутки труб У! д = 14,2. Кассета изготовлена из листовой коррозионно-стойкой ста. ли толщиной 2 мм, внутренняя сторона которой покрыта слоем оксида алюминия, а затем слоем термостойкого лака с целью надежной электроизоляции трубок пучка от кассеты. Кассета помещалась в цилиндрический кожух и крепились к нему при помощи мембраны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
