teplotekhnika (852911), страница 29
Текст из файла (страница 29)
При ламинарном режиме отдельныеструйки жидкости, перемещаясь в одном и том же направлении, не перемешиваются. При турбулентном режиме каждая частица потока, участвуя в общем поступательном движении, кроме того, совершает различные поперечные движения, вследствие чего мгновенная скорость ш в определенной неподвижной точке потока пульсирует около некоторогосреднего по времени значения ш. Помимо изменения абсолютной величины ш, происходит изменение направления мгновенной скорости. Поэтому турбулентный поток часто представляют состоящим из регулярного течения, описываемого осредненным значением скоростей, и наложенного на него хаотического пульсационного течения. Обстановка усложняется периодическим появлением в различных областях течениядвух- и трехмерных вихревых структур, возникающих при обтекании потоком различного рода препятствий (выступов шероховатости, прилипщих к стенкам частиц загрязняющих отложений, местных сопротивлений и т.д.), а также при столкновениях соседних пульсирующих частиц.При пульсациях скорости и перемещении вихрей из одной области течения в другую происходит перенос механической энергии.
Если в движущемся потоке наблюдается неоднородность температурного поля, тоупомянутые явления приводят и к переносу теплоты, вследствие чеговозникают пульсации температуры потока в рассматриваемых неподвижных точках.Характер течения жидкости предопределяет механизм переноса теплоты в потоке. При ламинарном режиме перенос теплоты в направлении, нормальном к направлению течения, осуществляется теплопроводностью, поскольку частицы жидкости перемещаются только в попутномпотоку направлении.
При турбулентном режиме перенос теплоты в на162Рис. 9.1. Схема развития пограничного слоя:1 - ламинарный гидродинамический пограничный слой; 2- переходное течение; 3 турбулентный пограничный слой; 4 - эпюры скоростейправлении, нормальном к направлению течения, осуществляется теплопроводностью и конвекцией. При этом в одних областях течения перенос теплоты теплопроводностью играет более существенную роль, чемконвективный теплоперенос, а в других областях, наоборот, турбулентный перенос теплоты преобладает над молекулярным.Поток жидкости, ом ы вающий твердое тело, может быть разбит на двеобласти: пограничный слой Іи внешний поток ІІ(рис. 9.1).В теории теплопереноса пограничным слоем называют область течениявязкой теплопроводной жидкости у поверхности твердого тела, характеризуемую малой толщиной и большим поперечным градиентом скорости и температуры, что определяет перенос количества движения и теплоты.Область потока жидкости, в которой влияние сил вязкости мало ивозмущение параметров течения обусловлено только деформацией линий тока вследствие вытеснения жидкости обтекаемым телом, называется внешним потоком.Рассмотрим процесс образования пограничного слоя при продольном обтекании поверхности плоского твердого тела потоком жидкости,набегающим со скоростьюУ самой поверхности частицы жидкостимы.прилипают к твердому телу, и их скорость шн = 0.
Толщина прилипшегок поверхности твердого тела слоя жидкости считается исчезающе малои.Около прилипшего слоя жидкости вследствие действия сил вязкости образуется слой заторможенной жидкости толщиной б, в котором скоростьизменяется от значения, близкого к нулю, до скорости, близкой к скорости внешнего потока. Этот слой называют гидродинамическим пограничным слоем. Понятие гидродинамического слоя в теорию теплопереносавпервые ввел Л. Прандтль в 1904 г.163Наряду с гидродинамическим пограничным слоем в потоке можетобразовываться тепловой пограничный слой.
Впервые понятие тепловогопограничного слоя было введено Г.Н. Кружилиным. Это слой жидкостиили газа, непосредственно участвующий в теплоотдаче, благодаря чемутемпература в слое меняется от температуры, близкой к температурестенки, до температуры, близкой к температуре среды во внешнем потоке.
Тепловой пограничный слой характеризуется большим поперечнымградиентом температуры, под действием которого и осуществляется процесс переноса теплоты.Структура гидродинамического пограничного слоя изменяется подлине обтекаемой поверхности. На начальном участке этой поверхностиобычно образуется ламинарный гидродинамический пограничный слойІ, толщина этого слоя по длине обтекаемого тела постепенно увеличивается и на расстоянии хкІ от передней кромки достигает максимальногозначения:атм = Ѕх/лё,где х - расстояние от передней кромки; Ке - число Рейнол ьдса.Если температуры поверхности обтекаемого тела и внешнего потоканеодинаковы, то одновременно с образованием гидродинамического пограничного слоя на начальном участке поверхности образуется тепловойпограничный слой, толщина которого бт по длине обтекаемого тела также увеличивается.
В общем случае толщины гидродинамического и теплового пограничных слоев различны и их соотношение определяется извыражениябт/блам -_'=. І/у/а,где у - кинематическая вязкость жидкости; а - температуропроводностьжидкости.У вязких жидкостей толщина бы теплового пограничного слоя оказывается значительно меньше, чем гидродинамического. У газов толщины гидродинамического и теплового пограничных слоев практическисовпадают.
В пределах теплового пограничного слоя при ламинарномгидродинамическом пограничном слое возможно распространение теплоты только теплопроводностью.При х > хкІ ламинарный характер движения в пограничном слое нарушается, и после участка переходного течения (при х = хк2) возникаеттурбулентный пограничный слой, толщина которого бтур также возраста-ет по длине пластины (бТур > блам).`Турбулентный пограничный слой состоит из внешней области А(рис. 9.2) и пристенной области Б. Толщина внешней области составляет примерно 0,88Тур, а толщина пристенной области - 0,2бтур.164Рис.
9.2. Структура турбу-лентного гидродинамическогопограничного слоя (масштабысмещены)Пристенная область турбулентного пограничного слоя включает в себя вязкий подслой І, внешняя граница которого, показанная волнистойлинией, является мощным генератором пульсационного движения, ипромежуточный (буферный) слой 2.Внешняя граница турбулентного пограничного слоя постоянно меняет свои очертания, потому что во внешнюю область слоя А периодически проникают массы жидкости внешнего потока. Если интенсивностьтурбулентности во внешнем потоке невысокая, то вблизи внешней границы в турбулентном пограничном слое образуется область перемежаемого течения.
Наиболее высокая интенсивность турбулентности наблю-дается в пристенной области Б. Течение в вязком подслое І, толщина которого на один-два порядка меньше толщины области Б, не являетсястрого ламинарным из-за периодического проникновения крупномасштабных (низкочастотных) пульсаций в вязкий подслой.Одновременно с турбулентным гидродинамическим пограничнымслоем развивается тепловой пограничный слой, при этом толщины теплового и гидродинамического пограничных слоев вследствие интенсивного турбулентного переноса количества движения и теплоты практическисовпадают. Непосредственно у стенки аналогично вязкому подслоюможно выделить тепловой подслой, в котором перенос теплоты теплопроводностью преобладает над турбулентным переносом, но все же не является единственно возможным.
При у/а = І толщина вязкого подслоя быпримерно равна толщине теплового подслоя бт_п при у/а > І -э бв_п > бщпри у/а < І -э бы < б. Для малотеплопроводных вязких сред, напримердля жидкостей с большими отношениями у/а (масла, нефтепродукты),тепловой подслой является основным термическим сопротивлением, всвязи с чем теплоотдача в вязких жидкостях происходит менее интенсивно, чем, скажем, в воде (у/а = 1,75 при 100 °С) или в жидких металлах(у/а << 1).Для газов, имеющих малую плотность, у/а == І, интенсивность тепло-отдачи, даже в сравнении с вязкими жидкостями в большинстве случаевневысокая, что объясняется низкими значениями теплоемкости и теплопроводности большей части используемых в технике газов.165Приведенные сведения о формировании гидродинамического пограничного слоя справедливы для плоских тел с удобнообтекаемой входнойкромкой при невысокой степени турбулентности набегаюшего потока.Между тем, на формирование пограничного слоя оказывают влияниеформа входной кромки, степень турбулентности набегающего потока, атакже форма и размеры всего тела.
В некоторых случаях, например уудобнообтекаемых тел, ламинарный пограничный слой занимает всюповерхность или большую ее часть, в других случаях переход ламинарного течения в турбулентное затягивается или, наоборот, осуществляетсяскачкообразно. При высокой степени турбулентности набегаюшего потока или при неудобнообтекаемой входной кромке тела на его поверхности сразу образуется турбулентный пограничный слой, интенсивностьтеплоотдачи в котором выше, чем в ламинарном пограничном слое.При проектировании каналов и устройств важно правильно оценивать гидродинамическую обстановку, потому что, как это было показановыше, интенсивность теплоотдачи во многом зависит от структуры итолщины пограничного слоя.
Поверхностная плотность теплового потока в случае ламинарного пограничного слояд:ч- 4,497).(9.1)где ЖЖ - теплопроводность жидкости и градиент температур в тепловомпограничном слое; ді/дп - градиент температур там же.Однако в большинстве случаев не представляется возможным аналитически определить градиент температуры в пограничном слое, а следовательно, найти по (9.1) поверхностную плотность теплового потока.Для турбулентного пограничного слоя эта формула вообше не применима. В связи с этим пока основным расчетным уравнением конвективного теплообмена является:Ф= мы- хп),(9.2)где о: - коэффициент теплоотдачи; А - площадь поверхности теплообмена; 1- температура теплоносителя, т.е. жидкости или газа, омывающеготело; Іст - температура поверхности тела.Разность температур жидкости и тела А1= 1- (ст называют часто температурным напором.Коэффициент теплоотдачи ос, входящий в (9.2), характеризует интенсивность теплоотдачи и равен отношению поверхностной плотности теплового потока на поверхности раздела к температурному напору междужидкостью и поверхностью.Уравнение (9.2) было предложено Ньютоном для случая теплообменав свободном потоке при условии, что а зависит только от физическихсвойств тела и среды.
В действительности коэффициент теплоотдачи а в166отличие от теплопроводности Ж не является величиной постоянной, а зависит от большого числа различных факторов, в том числе от причиныдвижения жидкости (свободная или вынужденная конвекция), формы иразмеров тела, режима течения жидкости (ламинарный, переходный илитурбулентный) и ее теплофизических свойств, скорости и направленияпотока, наличия фазовых переходов. В связи с этим тепловой поток Фможет быть определен с помощью уравнения (9.2) лишь после того, какбудет рассчитан коэффициент теплоотдачи, описываемый в общем случае следующей функциональной зависимостью:а =Ґ( ,а ,ста ра и, А, ср, и), и, [а Х),где и - форма тела; 1 - геометрические размеры тела; Х- характер движения жидкости.В каждом конкретном случае коэффициент теплоотдачи рассчитывают с помощью так называемых уравнений подобия, которые получают илипо результатам физических экспериментов, или по результатам математического моделирования данного процесса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
