Опыты 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:
За определяющую температуру принята температура жидкости вдали от тела t0. Определяющим размером является координата х, отсчитываемая от начала участка теплообмена.
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
- Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
Толщина и форма теплового пограничного слоя — Thermal boundary layer thickness and shape
Схематический рисунок, изображающий поток жидкости по нагретой плоской пластине.
На этой странице описаны некоторые параметры, используемые для характеристики свойств теплового пограничного слоя, образованного нагретой (или охлажденной) жидкостью, движущейся вдоль нагретой (или охлажденной) стенки. Во многих отношениях описание теплового пограничного слоя аналогично описанию скоростного (импульсного) пограничного слоя, впервые концептуализированному Людвигом Прандтлем . Рассмотрим жидкость с однородной температурой и скоростью, падающую на неподвижную пластину, равномерно нагретую до температуры . Предположим, что поток и пластина полубесконечны в положительном / отрицательном направлении, перпендикулярном плоскости. Когда жидкость течет вдоль стенки, жидкость на поверхности стенки удовлетворяет граничному условию отсутствия проскальзывания и имеет нулевую скорость, но по мере удаления от стенки скорость потока асимптотически приближается к скорости набегающего потока . Температура у твердой стенки равна и постепенно изменяется на по мере продвижения к свободному потоку жидкости. Невозможно определить острую точку, в которой жидкость теплового пограничного слоя или жидкость пограничного слоя скорости становится набегающим потоком, однако эти слои имеют четко определенную характеристическую толщину, задаваемую и . Приведенные ниже параметры дают полезное определение этой характеристики, измеряемой толщины теплового пограничного слоя. В это описание пограничного слоя также включены некоторые параметры, полезные для описания формы теплового пограничного слоя.
Т о { displaystyle T_ {o}}
ты о { displaystyle u_ {o}}
Т s { displaystyle T_ {s}}
Икс — y { displaystyle xy}
ты 0 { displaystyle u_ {0}}
Т s { displaystyle T_ {s}}
Т о { displaystyle T_ {o}}
δ Т { displaystyle delta _ {T}}
δ v { displaystyle delta _ {v}}
99% толщина термического пограничного слоя
Толщина тепловой пограничный слоя , является расстоянием поперек пограничного слоя от стенки до точки , где температура потока, по существу достигает температуру «свободного потока», . Это расстояние определяется перпендикулярно стене в -направлении.
Толщина теплового пограничного слоя обычно определяется как точка в пограничном слое , где температура достигает 99% от значения набегающего потока :
δ Т { displaystyle delta _ {T}}
Т 0 { displaystyle T_ {0}}
y { displaystyle y}
y 99 { displaystyle y_ {99}}
Т ( Икс , y ) { Displaystyle Т (х, у)}
Т 0 { displaystyle T_ {0}}
δ Т знак равно y 99 { displaystyle delta _ {T} = y_ {99}}
такой, что = 0,99 Т ( Икс , y 99 ) { Displaystyle Т (х, y_ {99})}
Т 0 { displaystyle T_ {0}}
в положении вдоль стены. В реальной жидкости это количество можно оценить, измерив профиль температуры в месте вдоль стены. Температурный профиль — это температура как функция в фиксированном положении.
Икс { displaystyle x}
Икс { displaystyle x}
y { displaystyle y}
Икс { displaystyle x}
Для ламинарного обтекания плоской пластины при нулевом падении толщина теплового пограничного слоя определяется как:
δ Т знак равно δ v п р — 1 / 3 { displaystyle delta _ {T} = delta _ {v} mathrm {Pr} ^ {- 1/3}}
δ Т знак равно 5.0 ν Икс ты 0 п р — 1 / 3 { displaystyle delta _ {T} = 5.0 { sqrt {{ nu x} over u_ {0}}} mathrm {Pr} ^ {- 1/3}}
где
п р { displaystyle mathrm {Pr}}
это число Прандтля
δ v { displaystyle delta _ {v}}
толщина пограничного слоя скорости
ты 0 { displaystyle u_ {0}}
скорость набегающего потока
Икс { displaystyle x}
— расстояние вниз по потоку от начала пограничного слоя
ν { displaystyle nu}
является кинематической вязкостью
Для турбулентного потока над плоской пластиной толщина образовавшегося теплового пограничного слоя не определяется термической диффузией, а вместо этого являются случайные колебания во внешней области пограничного слоя жидкости, которые являются движущей силой, определяющей тепловую толщина пограничного слоя.
Таким образом, толщина теплового пограничного слоя для турбулентного потока не зависит от числа Прандтля, а зависит от числа Рейнольдса .
Следовательно, толщина турбулентного теплового пограничного слоя приблизительно определяется выражением для толщины пограничного слоя турбулентной скорости, которое определяется как:
δ Т ≈ δ ≈ 0,37 Икс / р е Икс 1 / 5 { displaystyle delta _ {T} приблизительно delta приблизительно 0,37x / { mathrm {Re} _ {x}} ^ {1/5}}
где
р е Икс знак равно ты 0 Икс / ν { displaystyle { mathrm {Re} _ {x}} = u_ {0} x / nu}
это число Рейнольдса
Эта формула толщины турбулентного пограничного слоя предполагает, что 1) поток является турбулентным с самого начала пограничного слоя и 2) турбулентный пограничный слой ведет себя геометрически подобным образом (т. Е.
Профили скорости геометрически подобны вдоль потока в направлении x , отличающиеся только коэффициентами растяжения в и ). Ни одно из этих предположений не верно для общего случая турбулентного пограничного слоя, поэтому следует соблюдать осторожность при применении этой формулы.
y { displaystyle y}
ты ( Икс , y ) { Displaystyle и (х, у)}
Толщина термического смещения
Толщину теплового смещения , можно рассматривать в терминах разности между реальной жидкостью и гипотетической жидкостью с тепловой диффузией выключена , но со скоростью и температурой . Без термодиффузии падение температуры резкое.
Толщина теплового смещения — это расстояние, на которое гипотетическую поверхность жидкости нужно было бы переместить в -направлении, чтобы получить ту же интегральную температуру, которая возникает между стенкой и базовой плоскостью в реальной жидкости.
Это прямой аналог толщины смещения скорости, которая часто описывается в терминах эквивалентного смещения гипотетической невязкой жидкости (см. Schlichting для толщины смещения скорости).
β * { displaystyle beta ^ {*}}
ты 0 { displaystyle u_ {0}}
Т 0 { displaystyle T_ {0}}
y { displaystyle y}
δ Т { displaystyle delta _ {T}}
Определение толщины теплового смещения для несжимаемого потока основано на интеграле приведенной температуры:
β * знак равно ∫ 0 ∞ θ ( Икс , y ) d y { displaystyle { beta ^ {*}} = int _ {0} ^ { infty} { theta (x, y) , mathrm {d} y}}
где безразмерная температура . В аэродинамической трубе профили скорости и температуры получают путем измерения скорости и температуры при множестве дискретных значений в фиксированном положении.
Толщину теплового смещения затем можно оценить путем численного интегрирования масштабированного температурного профиля.
θ ( Икс , y ) знак равно ( Т ( Икс , y ) — Т 0 ) / ( Т s — Т 0 ) { displaystyle theta (x, y) = (T (x, y) -T_ {0}) / (T_ {s} -T_ {0})}
y { displaystyle y}
Икс { displaystyle x}
Метод момента
Относительно новый метод описания толщины и формы теплового пограничного слоя использует метод моментов, обычно используемый для описания распределения вероятностей случайной величины .
Метод моментов был разработан на основе наблюдения, что график второй производной теплового профиля для ламинарного потока по пластине очень похож на кривую распределения Гаусса .
Отлить правильно масштабированный тепловой профиль в подходящее интегральное ядро несложно.
Центральные моменты теплового профиля определяются как:
ξ п знак равно 1 β * ∫ 0 ∞ ( y — м Т ) п θ ( Икс , y ) d y { displaystyle { xi _ {n}} = {1 over beta ^ {*}} int _ {0} ^ { infty} {(y-m_ {T}) ^ {n} theta ( х, у) mathrm {d} y}}
где среднее местоположение, определяется как: м Т { displaystyle m_ {T}}
м Т знак равно 1 β * ∫ 0 ∞ y θ ( Икс , y ) d y { displaystyle m_ {T} = {1 over beta ^ {*}} int _ {0} ^ { infty} {y theta (x, y) mathrm {d} y}}
Есть некоторые преимущества, связанные с включением описаний моментов производных профиля пограничного слоя по высоте над стенкой. Рассмотрим центральные моменты профиля температуры первой производной, заданные как:
ϵ п знак равно ∫ 0 ∞ ( y — β * ) п d θ ( Икс , y ) d y d y { displaystyle { epsilon _ {n}} = int _ {0} ^ { infty} {(y — { beta ^ {*}}) ^ {n} {d theta (x, y) над dy} mathrm {d} y}}
где среднее положение — это толщина термического смещения .
β * { displaystyle beta ^ {*}}
Наконец, центральные моменты профиля температуры второй производной выражаются как:
ϕ п знак равно μ Т ∫ 0 ∞ ( y — μ Т ) п d 2 θ ( Икс , y ) d y 2 d y { displaystyle { phi _ {n}} = mu _ {T} int _ {0} ^ { infty} {(y — { mu _ {T}}) ^ {n} {d ^ { 2} theta (x, y) over dy ^ {2}} mathrm {d} y}}
где среднее местоположение, определяется как:
μ Т { displaystyle mu _ {T}}
1 μ Т знак равно — ( d θ ( Икс , y ) d y ) y знак равно 0 { displaystyle {1 over mu _ {T}} = — left ({ frac {d theta (x, y)} {dy}} right) _ {y = 0}}
С моментами и тепловой средней позицией , заданной, толщина пограничного слоя и форма могут быть описаны в терминах тепловой ширины пограничного слоя ( дисперсия ), тепловых skewnesses и теплового избыток ( избыток эксцесса ).
Для решения Pohlhausen для ламинарного потока на нагретой плоской пластине обнаружено, что толщина теплового пограничного слоя, определяемая как где , очень хорошо отслеживает толщину 99%.
δ Т знак равно м Т + 4 σ Т { displaystyle delta _ {T} = m_ {T} +4 sigma _ {T}}
σ Т знак равно ξ 2 1 / 2 { Displaystyle sigma _ {T} = xi _ {2} ^ {1/2}}
Для ламинарного потока все три разных случая момента дают одинаковые значения толщины теплового пограничного слоя. Для турбулентного потока тепловой пограничный слой можно разделить на область у стенки, где важна тепловая диффузия, и внешнюю область, где эффекты тепловой диффузии в основном отсутствуют.
Взяв за основу уравнение баланса энергии пограничного слоя, моменты второй производной пограничного слоя, отслеживайте толщину и форму той части теплового пограничного слоя, где температуропроводность значительна.
Поэтому метод момента позволяет отслеживать и количественно регион , в котором температуропроводность важна , используя моменты в то время как общий тепловой пограничный слой отслеживаются с помощью и моментов.
ϕ п { displaystyle { phi _ {n}}}
α { displaystyle { alpha}}
ϕ п { displaystyle { phi _ {n}}}
ϵ п { displaystyle { epsilon _ {n}}}
ξ п { displaystyle { xi _ {n}}}
Расчет производных моментов без необходимости брать производные упрощается за счет использования интегрирования по частям для сведения моментов к простым интегралам на основе ядра толщины теплового смещения:
k п знак равно ∫ 0 ∞ y п θ ( Икс , y ) d y { displaystyle {k_ {n}} = int _ {0} ^ { infty} {y ^ {n} theta (x, y) , mathrm {d} y}}
Это означает, что асимметрия второй производной, например, может быть рассчитана как:
γ Т знак равно ϕ 3 / ϕ 2 3 / 2 знак равно ( 2 μ Т 3 — 6 β * μ Т 2 + 6 μ Т k 1 ) / ( — μ Т 2 + 2 μ Т β * ) 3 / 2 { displaystyle gamma _ {T} = phi _ {3} / phi _ {2} ^ {3/2} = (2 mu _ {T} ^ {3} -6 beta ^ {*} mu _ {T} ^ {2} +6 mu _ {T} k_ {1}) / (- mu _ {T} ^ {2} +2 mu _ {T} beta ^ {*} ) ^ {3/2}}
дальнейшее чтение
- Герман Шлихтинг, Теория пограничного слоя , 7-е изд., McGraw Hill, 1979.
- Фрэнк М. Уайт, Механика жидкостей , McGraw-Hill, 5-е издание, 2003 г.
- Амир Фагри, Ювен Чжан и Джон Хауэлл, Advanced Heat and Mass Transfer , Global Digital Press, ISBN 978-0-9842760-0-4 , 2010.
Ноты
Ссылки
- Шлихтинг, Герман (1979). Теория пограничного слоя , 7-е изд., МакГроу Хилл, Нью-Йорк, США.
- Вейберн, Дэвид (2006). «Математическое описание жидкого пограничного слоя», Прикладная математика и вычисления, вып. 175, с. 1675–1684
- Вейберн, Дэвид (2018). «Новые параметры толщины и формы для описания теплового пограничного слоя», arXiv: 1704.01120 [Physics.flu-dyn]
Большая Рнциклопедия Нефти Рё Газа
Cтраница 2
�так, уравнение для толщины теплового пограничного слоя получено. Задача, в принципе, решена.
Для получения конкретных численных результатов надо правильно выбрать функции, аппроксимирующие распределения скорости и температуры.
Доведем решение до конца для случая продольно обтекаемой пластины. [16]
РџСЂРё С… 1 РЅС‚ толщина теплового пограничного слоя мала; СЃ удалением РѕС‚ сечения С… — 1РЅС‚ РѕРЅР° возрастает РІ соответствии СЃ уравнением (12.
31), как ] / Z) 3L / Pe, РіРґРµ через L обозначено расстояние С… — 1РЅС‚, отсчитываемое вдоль трубы РѕС‚ начала РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ участка трубы, Р° Р Рµ wD / Рє — число Пекле. [17]
В зависимости от числа Рг толщина теплового пограничного слоя может быть больше ( при Рг1) и меньше ( при Рг1) толщины динамического пограничного слоя. При Рг-1 эти толщины приблизительно одинаковы. [18]
В зависимости от числа Рг толщина теплового пограничного слоя может быть как больше ( при Рг1), так и меньше ( при Рг1) толщины динамического пограничного слоя. При Рг1 эти толщины приблизительно одинаковы. [20]
Аналогичным образом можно оценить порядок толщины теплового пограничного слоя, если, как и в предыдущем случае, толщина слоя мала по сравнению с продольным линейным размером. [21]
Рто РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє значительному уменьшению толщины теплового пограничного слоя 5j Рё, РІ соответствии СЃ выражением (6.14), Рє росту Рѕ-РёС‰. [23]
�скусственная турбулизация позволяет либо уменьшить толщину теплового пограничного слоя, либо приводит к разрушению и турбулизации самого слоя.
При этом с возрастанием теплоотдачи растет и гидравлическое сопротивление.
Поэтому целесообразность подобных методов интенсификации определяется соотношением между количеством передаваемого тепла и затратами энергии на преодоление возросших гидравлических сопротивлений. [24]
В процессе растекания потока под перекрытием толщина теплового пограничного слоя увеличивается, а средняя величина коэффициента ослабления пограничного слоя падает в результате разбавления газовой среды воздухом. При этом общее количество й-фазы в пограничном слое остается неизменным, а уменьшается ее концентрация на единицу длины. Принятая модель позволяет считать величину критерия Бугера Bu ftg5f неизменной по всему полю течения. [25]
РџСЂРё прочих равных условиях чем меньше толщина теплового пограничного слоя, тем больше градиент температур Рё, как следует РёР· формул ( 7 — 8) Рё ( 7 — 9), тем больше коэффициент теплоотдачи. [26]
Выражение (14.44) показывает, что отношение толщин динамического и теплового пограничного слоя определяется числом Прандтля. Если Рг 1, то эти толщины совпадают.
Рто условие достаточно хорошо выполняется для газов, Сѓ которых число Р Рі близко Рє единице.
Для жидкостей СЃ высокой вязкостью число Прандтля Р Рі — цСрД велико Рё тепловой пограничный слой намного тоньше динамического.
Для жидкометаллических теплоносителей с высокой теплопроводностью наблюдается обратная картина. [27]
Следовательно, коэффициент теплообмена обратно пропорционален толщине теплового пограничного слоя. [28]
Как отмечалось выше, существенное влияние на толщину теплового пограничного слоя и на теплообмен при кипении жидких металлов оказывает число Прандтля. Поэтому обобщение опытных данных в критериях подобия целесообразно проводить на основе включения в систему критерия Пекле. [30]
Страницы: 1 2 3 4