ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Теплоотдача при течении жидкости в трубах некруглого поперечного сеI чения и в изогнутых и шероховатых трубах из "Теплопередача " Теоретическое изучение теплоотдачи при турбулентном течении жидкости в настоящее время развивается в основном на базе гидродинамической теории теплообмена. [c.182] Гидродинамическая теория теплообмена основана на идее О. Рейнольдса об единстве конвективного переноса тепла и механической энергии. Такое представление позволяет установить связь между теплоотдачей и сопротивлением трения. В итоге формулы для расчета теплообмена удается вывести на основании гидродинамических экспериментов или расчетов сопротивления. Гидродинамическая теория достаточно хорошо раскрывает механизм турбулентного теплообмена. [c.182] Выделим в турбулентном потоке произвольную плоскость, параллельную стенке (рис. 7-9). Ввиду хаотических турбулентных пульсаций через к-А в обоих направлениях непрерывно проходят частицы жидкости. Через единицу поверхности в единицу времени снизу вверх проходит количество жидкости ё т, кг1м -сек, обладающее скоростью и температурой t. Это количество жидкости переносится от плоскости 1-1 к 2-2. При стационарном режиме такое же количество жидкости ё т должно переноситься от плоскости 2-2, где скорость и температура равны w x и к плоскости 1-1. [c.183] Так как частицы жидкости обладают определенной скоростью, то одновременно переносится и кинетическая энергия. Если w x Wx, то ижние частицы получают ускорение от верхних частиц и наоборот — верхние частицы замедляются. Благодаря тур--булентному обмену количествами движения разность между скоростями Wx И w x сокращается. [c.183] Эта зависимость впервые была обнаружена О. Рейнольдсом (1874 г.) и поэтому называется аналогией Рейнольдса. (Согласно аналогии Рейнольдса турбулентный переностеплапропорционалентурбулент- ному касательному напряжению. При этом имеется ввиду турбулентный перенос тепла и количества движения через плоскость, расположенную в турбулентном потоке. Для того чтобы определить теплоотдачу между стенкой и жидкостью, дополнительно необходимо учесть термическое сопротивление ламинарного подслоя. [c.184] При Рг = 1 отношение разностей температур равно отношению соответствующих разностей скоростей. Оба поля при этом подобны. [c.185] Таким образом, критерий Прандтля имеет смысл критерия подобия полей скоростей и температур. [c.185] При неизменном критерии Прандтля, равном единице, формула (7-29) очень хорошо соответствует опытным данным и может быть использована как расчетная. [c.186] Таким образом, гидродинамическая теория теплообмена достаточно хорошо описывает теплоотдачу газов, поскольку у газов величина критерия Прандтля близка к единице или равна ей. [c.186] Однако для определения теплоотдачи капельных жидкостей, у которых Рг= 1, как показывают опытные исследования, формула (7-22) непригодна. Так как при выводе формулы не были учтены некоторые особенности процесса, ошибка может быть велика. При этом расчет усложняется из-за трудности определения отношения скоростей о р/Шо. Не учтено влияние переменности физических параметров. [c.186] Дополнительные осложнения возникают при Рг 1 (жидкие металлы). Для сред с Рг, равным или большим единицы, теплопроводность в турбулентном потоке невелика по сравнению с конвекцией тепла. Однако при низких значениях критерия Рг= она приобретает гораздо большую роль и ие учитывать ее нельзя. Теплоотдача жидких металлов будет рассмотрена особо. [c.186] При выводе уравнения (7-22) было принято, что в ламинарном подслое тепло переносится только теплопроводностью, а в турбулентном потоке — только конвекцией. Аналогично принималось, что в ламинарном подслое действуют только молекулярные касательные напряжения, а за его пределами — только турбулентные. Таким образом, считалось, что на границе подслой — турбулентный поток происходит резкое изменение механизма переноса тепла и механической энергии. В то же время известно, что у стенки турбулентность затихает постепенно. Дальнейшее усовершенствование гидродинамической теории заключалось в выделении между ламинарным подслоем и турбулентным потоком промежуточного, так называемого буферного слоя. В буферном слое перенос тепла путем теплопроводности по величине соизмерим с турбулентным переносом и нужно учитывать обе составляющие. Аналогично в буферном слое нужно учитывать и молекулярные, и турбулентные касательные напряжения. [c.186] В недавнем прошлом гидродинамическая теория теплообмена дава- ла в основном качественное представление о протекании процесса конвективного теплообмена. Развитие теории привело к тому, что в настоящее время ее результаты уже могут при определенных условиях найти применение и в расчетной практике. [c.187] Подробное и полное рассмотрение гидродинамической теории теплообмена выходит за рамки данного курса. Более глубоко она рассматривается в специальных курсах и в соответствующей литературе, например [Л. 61, 130]. [c.187] В настоящее время расчет конвективной теплоотдачи обычно производят по экспериментальным формулам. [c.187] За определяющую температуру принята температура жидкости вдали от тела /о (за исключением Рго, выбираемого по /с). В виде определяющего размера берется координата х [в формуле (7-35)] или длина пластины I [в формуле (7-36)], отсчитываемые от точки начала теплообмена. При этом а = 1,25а, если х=1. [c.187] Опыты показывают, что при развитом вынужденном турбулентном течении теплоотдача не зависит от критерия Ог. Перенос тепла естественной конвекцией пренебрежимо мал по сравнению с переносом за счет вынужденной конвекции. [c.188] Изменение коэффициента теплоотдачи вдоль пластины рри тур-булентном пофа.ничном слое. [c.188] Как показывают опыты и теория, при турбулентном пограничном слое переменность температуры поверхности стенки практически не сказывается на величине коэффициентов теплоотдачи. Формулы (7-35) и (7-36) можно попользовать и при переменной температуре поверхности стенки. При турбулентном пограничном слое не оказывает значительного влияния и начальный необогреваемый участок, и в этом случае для практических расчетов можно использовать формулы (7-35) и (7-36), однако в качестве определяющего линейного размера нужно брать длину, отсчитываемую от начала участка теплообмена. Если вся пластина занята турбулентным пограничным слоем (в случае высокой степени турбулентности набегающего потока, не-удобообтекаемости передней кромки), то изменение коэффициента теплоотдачи вдоль пластины имеет вид, изображенный на рис. 7-10. При наличии на передней части пластины ламинарного пограничного слоя коэффициент теплоотдачи изменяется по более сложному закону (рис. 7-11). В этом случае среднюю теплоотдачу рассчитывают отдельно для ламинарного и турбулентного пограничных слоев. [c.188] Вернуться к основной статье