Теплоотдача при поперечном обтекании одиночного цилиндра

Процесс теплоотдачи при поперечном потоке жидкости, омывающей одиночную круглую трубу (цилиндр), в значительной мере зависит от скорости потока и характеризуется рядом особенностей.

Рассмотрим несколько случаев обтекания потоком жидкости одиночного круглого цилиндра, изображенных на рис. 2.27.

а Ке<5 б Де = 5-5-10³ в Яе=10³-2-10⁵

Рис. 2.27. Обтекание потоком жидкости одиночного круглого цилиндра при разных

значениях критерия Рейнольдса

Плавное, безотрывное омывание поверхности круглой трубы наблюдается только при Ке < 5 (рис. 2.27 а). При больших значениях Ке условия омывания лобовой и кормовой половин трубы с'овершенно различны (рис. 2.27 б). В кормовой части трубы, которая представляет собой плохо обтекаемое тело, появляется вихревая зона. Ламинарный пограничный слой, образующийся в лобовой части трубы около вертикального диаметра, отрывается от ее поверхности и в кормовой части образуются два симметричных вихря. Только 45-47%, поверхности трубы, считая от лобовой точки, омывается потоком жидкости безотрывно, вся остальная ее часть находится в вихревой зоне. Чем больше скорость потока, тем при больших углах <р происходит отрыв ламинарного пограничного слоя.

При больших значениях числа Ке ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный, а отрыв слоя происходит при <р = 120 - 130°. Это смещение приводит к уменьшению вихревой зоны в кормовой части трубы и обтекание ее улучшается (рис. 2.27 в). Турбулентный пограничный слой появляется при значительных числах Ке = 10³ ■*■ 2Т0⁵. На появление турбулентного пограничного слоя большое влияние оказывает начальная

турбулентность потока, чем она больше, тем при меньших значениях числа Ке появится турбулентный пограничный слой. Такая своеобразная картина движения жидкости при поперечном обтекании одиночной трубы в значительной мере отражается на коэффициенте теплоотдачи по ее окружности.

В лобовой части трубы (при (р = 0) коэффициент теплоотдачи имеет наибольшее значение, т. к. пограничный слой имеет наименьшую толщину. По мере движения жидкости вдоль поверхности толщина пограничного слоя увеличивается и достигает максимального значения почти у экватора (при <р = 90°), что примерно соответствует месту отрьша пограничного слоя (рис. 2.28).

Благодаря увеличению толщины пограничного слоя коэффициент теплоотдачи уменьшается и у экватора достигает наименьшего значения. За экватором кормовая часть цилиндра омывается жидкостью, имеющей сложный вихревой характер движения, при этом происходит разрушение пограничного слоя, толщина его уменьшается, а коэффициент теплоотдачи увеличивается, достигая наибольшего значения при ср - 180°, и может сравняться с теплоотдачей в лобовой части трубы.

Описанная картина движения жидкости справедлива для значений чисел Рейнольдса Ке - 5 + 2*10⁵.

Ь и м х по № т

Рис. 2.28. Значение коэффициента теплоотдачи при разных значениях угла (р

Из изложенного следует, что теплоотдача по окружности одиночной трубы при поперечном обтекании тесно связана с характером омывания ее поверхности, зависит от скорости и направления потока жидкости, от температуры и диаметра трубы, от направления теплового потока, от внешних тел, изменяющих степень турбулизации потока, и т. п. Все эти моменты указывают на трудность теоретического решения данной задачи. Подробные экспериментальные исследования теплоотдачи проволочек и трубок в поперечном потоке воздуха, воды, трансформаторного масла были проведены А. А. Жукаускасом. Им также были использованы экспериментальные работы других авторов. В результате обобщения всех данных были получены критериальные уравнения, позволяющие определять средний коэффициент теплоотдачи по окружности одиночной трубы, обтекаемой потоком жидкости:

При^5М-10³ Ш_ж,=0,5Ке°^Р4³\Рг_ж/Рг_ст)⁰'²⁵.

При^=1-10³^2-10⁵ т_ж,=0,25Яе_ж⁶,Р4³\Рг_ж/Рг_ст)⁰'²⁵.

Для воздуха и двухатомных газов формулы (2.113) и (2.114) примут вид

При Ке = 5 + МО³, ЛА' - п а^рЛ^

т_ж, = 0,4зла •

При Де = 1-10³-2-10⁵

т_ж,=0,2Ше%

жс1

(2.113) (2.114)

(2.115) (2.116)

. При вычислении чисел подобия в формулах (2.113) - (2.116) за определяющий линейный размер принят внешний диаметр трубы; за определяющую температуру - средняя температура жидкости. Скорость отнесена к самому узкому сечению канала.

Приведенные формулы справедливы для цилиндра, который располагается перпендикулярно направлению потока. Если угол атаки у/ < 90°, то коэффициент теплоотдачи для у/ = 90° нужно умножить на поправочный коэффициент е, взятый с графика (рис. 2.29), или для углов у/ = 30 •*- 90° рассчитанный по формуле

е = 1-0,54со8 ц/.

(2.117)

			ч
			X

а

0,9 0,8 0,7 0.6

-X

------ >

------ >

------ >-

I 90 70 50 30 Ч>

Рис. 2.29. Угол атаки потока жидкости (а) и значение поправочного

коэффициента е (б)

В результате итоговый коэффициент теплоотдачи а^ = е-а%. Как видно из графика (рис. 2.29 б), с уменьшением угла атаки поправочный коэффициент резко падает, а следовательно, уменьшается и коэффициент теплоотдачи.

Дата добавления: 2014-01-04