Теплоотдача при обтекании плоской пластины

Схема течения. Рассмотрим процесс теплообмена для случая, когда поток жидкости или газа со скоростью c0 , температурой T0 и плотностью r0 обтекает плоскую пластину (рис. 2.4) под нулевым углом атаки. На поверхности пластины образуется пограничный слой, толщина которого по мере удаления от передней кромки нарастает. Как показывает опыт, в начале на поверхности пластины образуется ламинарный пограничный слой, а затем на некотором удалении от передней кромки хкр ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный.

Рис. 2.4. Течение в пограничном слое на пластине

Координата хкр точки перехода определяется числом Рейнольдса: переход происходит при достижении Re некоторого критического значения

откуда ,

где = 105…4×106 и определяется экспериментальным путём.

Широкий диапазон изменения Reкр обусловлен влиянием уровня турбулентности в набегающем потоке: чем она меньше, тем больше Reкр.

Таким образом, положение точки перехода ламинарного режима течения в турбулентный зависит от скорости, плотности и вязкости набегающего на пластину потока, а также от уровня турбулентности в набегающем потоке.

Если длина пластины l меньше хкр,то вся пластина будет покрыта ламинарным пограничным слоем (рис. 2.4б). Если турбулентность набегающего потока велика, а пластина имеет сравнительно большую длину, то практически можно считать, что вся она покрыта турбулентным пограничным слоем.

Изменение a по длине пластины. Поскольку по мере удаления от передней кромки толщина пограничного слоя увеличивается, растёт и его тепловое сопротивление. При неизменном режиме течения в пограничном слое это приводит к снижению интенсивности теплообмена, т.е. к уменьшению коэффициента теплоотдачи a по длине пластины (рис. 2.4б). Если в пограничном слое происходит переход ламинарного режима в турбулентный, то на участке перехода коэффициент теплоотдачи возрастает (рис. 2.4а), так как возникает дополнительный перенос теплоты за счет турбулентного перемешивания. Таким образом, интенсивность теплообмена в данной точке пластины при прочих равных условиях определяется ее удалением от передней кромки. Поэтому определяющим геометрическим размером здесь является координата х и именно этот параметр входит в выражения критериев подобия:

; ,

где - местный (соответствующий координате х) коэффициент теплоотдачи.

Критериальные уравнения. Плотность теплового потока при обтекании плоской пластины определяется по уравнению Ньютона , в котором температура теплоносителя Тт - это его температура на внешней границе пограничного слоя.

Отметим, что при обтекании плоской пластины скорость и температура теплоносителя на внешней границе пограничного слоя равны соответственно скорости и температуре набегающего потока (с0, Т0 ), т.е. Тт=Т0.



Соответствующие критериальные уравнения для определения местных значений коэффициента теплоотдачи на плоской пластине согласно экспериментальным данным имеют вид:

- при ламинарном пограничном слое

;

- при полностью турбулентном пограничном слое

.

Для определения средних значений коэффициента теплоотдачи на пластине длиною l критериальные уравнения согласно экспериментальным данным имеют вид:

- при ламинарном пограничном слое

- при полностью турбулентном пограничном слое

где - поправочный коэффициент, учитывающий влияние направления теплового потока на характер температурного поля в пограничном слое, и, как следствие, на физические параметры теплоносителя в нём. При Тст < Тт kt = (mт/ mст)0,25, а при Тст > Тт kt = (mТ/mСТ)0,11 , где mт, mст - коэффициенты динамической вязкости при Тт и Тст.

В заключение рассмотрим, какие факторы и в какой мере влияют на коэффициент теплоотдачи a при обтекании теплоносителем плоской пластины. Для этого решим критериальное уравнение относительно местного коэффициента теплоотдачи aх. Учитывая выражения для критериев Re и Pr, после соответствующих преобразований получим

,

где .

Видно, что коэффициент aх, а следовательно, и интенсивность теплоотдачи зависят от режима течения (А, т, n), от произведения с0r0 , т.е. плотности тока, от координаты исследуемого участка х и физических свойств теплоносителя (К), причём при турбулентном режиме течения влияние плотности тока сильнее (т = 0,8), чем при ламинарном (т = 0,5). Это объясняется тем, что в первом случае роль конвекции более велика, чем во втором, интенсивность же конвекции определяется скоростью движения теплоносителя.

В общем случае процессы теплообмена при турбулентном пограничном слое интенсивнее, чем при ламинарном. Поэтому ламинаризация потока, т.е. использование средств, способствующих увеличению доли поверхности, покрытой ламинарным слоем (увеличению длины xкр), будет способствовать уменьшению теплоотдачи; турбулизация же потока, наоборот, способствует повышению интенсивности теплообмена.




3104782117347673.html
3104859543093835.html
    PR.RU™