Гидродинамический и тепловой пограничный слои

 

При любом режиме движения частицы жидкости, непосредственно прилегающие к твердой поверхности, как бы прилипают к ней. В результате вблизи обтекаемой поверхности под действием сил вязкого трения образуется плоский слой заторможенной жидкости, в пределах которого скорость жидкости изменяется от нуля (на поверхности тела) до скорости невозмущенного потока (вдали от тела). Этот слой заторможенной жидкости называется гидродинамическим пограничным слоем.

На рис. 6.3 дана схема образования гидродинамического пограничного слоя при продольном омывании поверхности потоком жидкости с постоянной скоро­стью ω ₀.

На начальном участке поверхности, как правило, течение жидкости ламинар­ное (ламинарный пограничный слой). По мере удаления от входной кромки толщина гидродинамического пограничного слоя δ увеличивается. Утолщение погра­ничного слоя происходит с увеличением вязкости жидкости. Рост толщины пограничного слоя приводит к уменьшению его устойчивости и на определенном расстоянии от входной кромки он переходит в турбулентный. Убывание скорости в турбулентном пограничном слое можно охарактеризовать как умеренное, в ламинарном подслое - резкое.

Гидродинамический пограничный слой (слой заторможенной жидкости), режим течения жидкости в нем влияют на коэффициент теплоотдачи. Чем меньше толщина гидродинамического пограничного слоя δ, тем выше коэффициент теплоотдачи α.

Аналогично понятию гидродинамического пограничного слоя существует понятие теплового пограничного слоя. Это слой жидкости (δ _τ ), прилегающий к твердой поверхности, в пределах которого температура жидкости изменяется от температуры стенки (t_с) до температуры потока вдали от поверхности (t_ж).

В общем случае толщина гидродинамического (δ ) и теплового (δ _τ ) пограничных слоев не совпадает и только для газов практически одинакова. Соотношение толщины теплового и гидродинамического пограничных слоев определяется значением числа Рг =

Дифференциальное уравнение теплоотдачи (6.1) описывает передачу тепла в тонком пристеночном слое жидкости. В первом приближении градиент температуры в тепловом пограничном слое можно выразить так:

тогда коэффициент теплоотдачи определится соотношением

т.е. коэффициент теплоотдачи прямо пропорционален теплопроводности жидкости и обратно пропорционален толщине теплового пограничного слоя.

Теплофизические свойства жидкости

Коэффициент теплоотдачи зависит от коэффициента теплопроводности (λ ), теплоемкости (с_р), кинематической вязкости (v), плотности (р), коэффициента объемного расширения (β ) и других свойств жидкости, в частности, при наличии фазовых переходов (кипения, конденсации), от теплоты парообразования (r), коэффициента поверхностного натяжения (σ ) и т.д.

Геометрические размеры, форма, ориентация поверхности теплообмена

Установлено, что коэффициент теплоотдачи зависит от геометрической формы поверхности тела (плоской, цилиндрической, шаровой или иной), размеров (протяженности поверхности, диаметра трубы или сферы и т.д.), ориентации поверхности теплообмена (вертикальной, горизонтальной с теплоотдачей вверх, горизонтальной с теплоотдачей вниз, наклонной и т.д.).

Контрольные вопросы и задания

1. Запишите дифференциальные уравнения конвективного теплообмена, поясните физический смысл слагаемых в уравнениях энергии и движения.

2. Сформулируйте условия подобия физических явлений. Что дает теория подобия?

3. Каковы условия физического моделирования теплоотдачи и что оно дает?

4. Что называется определяющей температурой и определяющим размером?

5. Докажите, что числа подобия безразмерны, путем подстановки размерности величин, входящих в них.

6. Дайте понятия гидродинамического и теплового пограничных слоев. Как толщина этих слоев влияет на коэффициент теплоотдачи?

7. Как влияют на теплоотдачу: а) теплопроводность жидкости; б) вязкость жидкости?

8. Перечислите факторы, влияющие на коэффициент теплоотдачи.

Примеры решения задач

Задача № 1. Моделируется процесс теплоотдачи при течении нефти по нефтепроводу диаметром d=1020 мм со скоростью w = 0, 5 м/c. Кинематическая вязкость нефти для исследуемого участка трубы при средней температуре составляет ν = 14, 7·10 ^-6м²/c.

В модели предполагается нефть заменить водой, диаметр трубки d = 30мм.

Какой расход воды необходимо иметь в модели, чтобы обеспечить подобие процессов теплоотдачи в модели и образце?

Решение

Согласно третьей теоремы подобия одноименные числа подобия для модели и образца должны быть одинаковы (Re_M = Re_o), т.е.

Кинематическая вязкость воды при _ж = 30 °C v = 0, 805·10^-6 м²/с). (табл. 2 приложения). Тогда скорость воды

расход воды

Плотность воды ρ _м = 995, 7 кг/м³ взята из табл.2 приложения при =30 ^оС

Задача №2. На воздушной модели парового котла, выполненной в
масштабе 1/8 натуральной величины, производилось изучение теплоотдачи
конвекцией. Для первого газохода модели при различных скоростях воздуха
получены следующие значения коэффициента теплоотдачи:

 

w, м/с	2, 0	3, 14	4, 65	8, 8
α, Вт/м2·К	50, 4	68, 6	90, 6	141.

Средняя температура воздуха, проходящего через модель, t_ж = 20 °C Диаметр трубок модели d = 12, 5 мм.

Коэффициент теплоотдачи α при обработке опытных данных был отнесен к средней арифметической разности температур между воздухом и стенкой.

На основе опытных данных получите формулу для расчета теплоотдачи конвекцией в первом газоходе котла в виде зависимости .

Решение

Результаты эксперимента обработаем в числах подобия

и

При tж = 200 ^оС для воздуха коэффициент теплопроводности λ = 0, 026 Вт/м·К, кинематическая вязкость v = 15, 06·10^-6 м²/с(табл.1 приложения).

Результаты вычисления чисел Nu и Re для соответствующих значений α и w представлены ниже:

w, м/с	λ, Вт/м2·К	Re	Nu
2, 0	50, 4		24, 2
3, 14	68, 6		33, 0
4, 65	90, 6		43, 6
8, 8			68, 0

 

По этим данным строим зависимость Nu=f(Re) в логарифмических координатах рис. 6.4).

По тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс

определяем показатель степени n=0, 706.

Постоянную С находим из уравнения

Таким образом, получаем расчетную формулу

справедливую в пределах 1600 ≤ Re_жd≤ 7300.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Виды пробоя диэлектриков: тепловой, электрический, электрохимический и смешанный
2. Выбор теплообменников в тепловой схеме
3. Институт Тепловой и Атомной Энергетики (ИТАЭ)
4. Источники тепловой энергии для систем теплоснабжения. Топливо, топливные ресурсы – 2 часа
5. Критический диаметр тепловой изоляции
6. Нетрадиционные источники электрической и тепловой энергии
7. Приготовление слоистых коктейлей
8. Процессы, происходяшие при тепловой обработке мяса
9. Процессы, происходяшие при тепловой обработке рыбы
10. Процессы, происходящие при тепловой обработке овощей
11. С потерей тепловой экономичности турбинной установки