|
ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕОпыты показывают сложность движения в турбулентном слое. Вязкий подслой не имеет строго ламинарного течения вдоль стенки. Пульсации (особенно крупномасштабные) проникают в вязкий подслой, где их течение регламентируется вязкими силами. Движение в вязком подслое является нестационарным, граница его четко не определена. A- внешняя область B- пристенная область (I – вязкий подслой, II – промежуточный слой)
Наиболее высокая интенсивность турбулентности наблюдается в пристенной турбулентной области. Если, например, степень турбулентности во внешнем потоке может составлять доли процента, то в пристенной области она может достигать нескольких десятков процентов. Пристенная область составляет примерно 20% толщины пограничного слоя (толщина вязкого подслоя на один-два порядка меньше). Течение во внешней области пограничного слоя, составляющей примерно 80% его толщины, зависит, в частности, от течения во внешнем потоке. Внешняя граница турбулентного пограничного слоя непрерывно пульсирует. Это связано с периодическим проникновением масс жидкости внешнего потока, где степень турбулентности может быть невысока, во внешнюю область пограничного слоя. В расчетной практике широко распространена формула: (V) За определяющую температуру принята температура жидкости вдали от тела t0. Определяющим размером является координата х, отсчитываемая от начала участка теплообмена. Критерий Стантона При ; где . Согласно формуле (V) . Среднеинтегральное значение при этом равно . Если вся пластина занята турбулентным слоем (при высокой степени турбулентности набегающего потока, неудобообтекаемости передней кромки и т. п.), то изменение коэффициента вдоль пластины имеет вид, изображенный на рис. (кривая 1).
При наличии на передней части пластины ламинарного пограничного слоя коэффициент теплоотдачи изменяется по более сложному закону (кривая 2). Область переходного течения не всегда может быть определена достаточно точно. Поэтому в расчетах часто полагают, что переход из ламинарной формы течения в турбулентную происходит при определенном значении х, т. е. заменяют отрезок точкой. Формулы, определяющие теплоотдачу пластины, могут быть использованы также для расчета теплоотдачи при внешнем продольном омывании одиночного цилиндра, если его диаметр существенно больше толщины пограничного слоя.
27. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ТЕЧЕНИИ ЖИДКОСТИ В ТРУБАХ Процесс теплоотдачи при течении жидкости в трубах является более сложным по сравнению с процессом теплоотдачи при омывании поверхности неограниченным потоком т. к. поперечное сечение трубы имеет конечные размеры. В результате, начиная с некоторого расстояния от входа, жидкость по всему поперечному сечению трубы испытывает тормозящее действие сил вязкости, происходит изменение температуры жидкости как по сечению, так и по длине канала. Уделим основное внимание рассмотрению течения и теплообмена в гладких прямых трубах с неизменным по длине круглым поперечным сечением. О режиме течения в трубах судят по значению числа Рейнольдса Re. Если , то течение является ламинарным Значение является нижним критическим значением числа Рейнольдса. При Re>2000 поток после единичного возмущения уже не возвращается к ламинарному режиму течения. Развитое турбулентноетечение в технических трубах устанавливается при . Течение при называют переходным. Ему соответствует и переходный режим теплоотдачи. Если жидкость поступает в трубу из большого объема и стенки трубы несколько закруглены, то распределение скорости в начальном сечении считают равномерным. При движении у стенок образуется гидродинамический пограничный слой, толщина которого постепенно нарастает. В достаточно длинных трубах на некотором расстоянии от входа пограничный слой заполняет все поперечное сечение. При постоянных физических свойствах жидкости после заполнения устанавливается постоянное распределение скорости, характерное для данного режима течения. Расстояние, отсчитываемое от входа до сечения, соответствующего слиянию пограничного слоя, называется длиной гидродинамического начального участка или участком гидродинамической стабилизации. Стабилизирующее течение () не зависит от распределения скоростей на входе , но распределение скоростей как при , так и при может зависеть от процесса теплоотдачи. Гидродинамический начальный участок наблюдается как при ламинарном, так и при турбулентном течении. При практически с самого начала развивается турбулентный пограничный слой. Если жидкость втекает из большого объема в трубу, имеющую острую кромку на входе, то в начале трубы образуются вихри, приводящие к быстрому разрушению ламинарного пограничного слоя. Длина гидродинамического начального участка и его доли, занятые соответственно ламинарным и турбулентным пограничным слоями, зависят от числа Re, степени турбулентности потока на входе и ряда других факторов. Если поток гидродинамически стабилизирован (х>lн), скорости по сечению при ламинарном изотермическом движении распределяются по параболе (а). , где r0 — радиус трубы; - скорость на оси трубы (при r=0). Средняя скорость при этом равна: . При турбулентном движении почти все сечение трубы заполнено турбулентно текущей жидкостью. У стенки же образуется вязкий подслой. При больших числах Re толщина подслоя составляет ничтожную часть диаметра трубы. Несмотря на это, для малотеплопроводных сред вязкий подслой является основным термическим сопротивлением. При стабилизированном турбулентном течении жидкости в трубах распределение скорости по поперечному сечению имеет вид усеченной параболы (б). Распределение скоростей в турбулентной части потока можно описать с помощью универсального логарифмического закона , где ; ; . Для турбулентного ядра () и ; для промежутков между турбулентным ядром и вязким подслоем области , и . В пределах вязкого подслоя принимает линейное изменение скорости или . отсюда распределение скоростей зависит от Re. Приведенные сведения о распределении скоростей в турбулентном потоке прежде всего соответствуют изотермическим течениям или течениям с практически не проявляющейся переменностью физических свойств жидкости. Участок тепловой стабилизации. По мере движения жидкости вдоль трубы наблюдается прогрев или охлаждение пристенных слоев, если температура жидкости отлична от температуры трубы. В начале трубы центральное ядро жидкости еще имеет температуру, равную температуре на входе, это ядро в теплообмене не участвует, все изменение температуры сосредоточивается в пристенном слое. Таким образом, у поверхности трубы в ее начальной части образуется тепловой пограничный слой, толщина которого по мере удаления от входа увеличивается. На некотором расстоянии от входа, равном тепловой пограничный слой заполняет все сечение трубы; в дальнейшем вся жидкость участвует в теплообмене, причем интенсивность теплообмена уже не зависит от распределения скорости и температуры на входе. Участок трубы длиной , называют начальным тепловым участком или участком термической стабилизации. Если при х> закон задания граничных условий на стенке не изменяется, то такой теплообмен называют стабилизированным. В отличие от эпюр скорости эпюры температур при х> даже в случае постоянных физических свойств жидкости не остаются неизмененными (рис.). В случае постоянных физических, свойств жидкости и при простейших граничных условиях (например, tc = const, qc = const) коэффициент теплоотдачи при стабилизированном теплообмене является величиной постоянной. Производная и при убывают вдоль трубы с одинаковой скоростью, если . На начальном участке производная убывает гораздо быстрее температурного напора. В результате, как следует из уравнения теплоотдачи, на участке термической стабилизации резко падает и при стабилизированном теплообмене становится постоянной величиной. Изменение местного и среднего по длине трубы. Если на начальном участке изменяется режим течения, то изменение коэффициента теплоотдачи по длине трубы будет иным (рис. б). Коэффициент теплоотдачи уменьшается на участке ламинарного течения и растет при его разрушении. Затем происходит стабилизация теплообмена при турбулентном течении. Длина начального теплового участка зависит от большого количества факторов, например от коэффициента теплопроводности жидкости, наличия гидродинамической стабилизации, числа Рейнольдса, распределения температур на входе и т. п. Теория показывает, что при ламинарном течении жидкости с постоянными физическими параметрами и однородной температурой на входе в случае tc = const и в случае qc = const Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам... Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор... Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом... ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|