Теплоотдача при поперечном омывании одиночной гладкой трубы и пучка труб

Обтекание одиночного цилиндрического тела (трубы).

Рассмотрим схему движения жидкости при поперечном омывании круглого цилиндра при Re > 5 (рис. 9.6).

Обтекание одиночного цилиндра

Рис. 9.6. Обтекание одиночного цилиндра

На любой поверхности цилиндра (в пределах дуги а—а, соответствующей азимутальному углу (р) образуется ламинарный пограничный слой, который, имея минимальную толщину при ф = 0, по мере увеличения ф интенсивно развивается, достигая максимума толщины вблизи экваториального сечения (ф = 90°). Здесь вследствие возрастания давления вдоль потока и нодтормаживания жидкости твердой стенкой возникает возвратное движение жидкости, которое оттесняет пограничный слой от твердой поверхности, обусловливая его отрыв и образование вихревых структур в кормовой зоне цилиндрического тела. Сложная гидродинамическая обстановка определяет переменность значения коэффициента теплоотдачи по периметру цилиндра.

График изменения числа Нуссельта Nu по окружности цилиндра для различных значений числа Рейнольдса Re показан в полярных координатах на рис. 9.7. При значениях угла ср, соответствующих максимальной толщине пограничного слоя (ф = 83^-95°), значение Nu (а следовательно, и а) достигает минимума.

Изменение коэффициента теплоотдачи по окружности цилиндра при различных числах Рейнольдса

Рис. 9.7. Изменение коэффициента теплоотдачи по окружности цилиндра при различных числах Рейнольдса

Максимум теплоотдачи приходится на зону в окрестности угла ф = 0: здесь пограничный слой только формируется. При малых Re теплоотдача кормовой зоны невелика, но с возрастанием Re ее интенсивность увеличивается, и теплоотдача кормовой зоны может быть сопоставима с теплоотдачей лобовой части цилиндра. Рассмотренный режим течения жидкости может быть назван смешанным, поскольку набегающий поток воздействует на ламинарный пограничный слой, а кормовая часть трубы омывается интенсивным вихреобразным потоком. Такой характер течения наблюдается при Re = 5-ИО5.

В случае существенной турбулентности набегающего потока, а также при Re > 105^(4 • 105) отрыва ламинарного пограничного слоя при ф = 80-Н00° не происходит, а ламинарное течение в пограничном слое переходит в турбулентное. Турбулентный слой отрывается от поверхности цилиндра при ф -140°. В связи с этим на кривой изменения а по ф наблюдается два минимума. Первый — в окрестности азимутального угла ф « 90° — соответствует максимальной толщине ламинарного пограничного слоя. Вслед за этим минимумом а резко возрастает и, например, при больших Re, может увеличиться в 2—3 раза. Второй минимум соответствует подтормаживанию турбулентного пограничного слоя перед его отрывом. Очевидно, что здесь толщина слоя максимальная. Кормовая часть цилиндра, соответствующая ф = 14(Н180°, омывается вихрями, имеющими сложную структуру. Коэффициент теплоотдачи здесь возрастает и может превзойти значения а при ф = 0°. Ламинарное безотрывное течение жидкости по всему периметру цилиндра имеет место при Re < 5.

В связи со сложным, а главное, зависимым от значения Re характером изменения коэффициента теплоотдачи по периметру цилиндрического тела в технических расчетах обычно используют средние по периметру значения а, определяемые для угла атаки ф = 90° между направлением потока и осью цилиндра по следующим формулам: при Re = 5-ИО3

при Re = (1 • 103)-^(2 • 105)

За определяющий линейный размер в формулах принимают наружный диаметр труб.

При уменьшении угла атаки ф интенсивность теплоотдачи уменьшается. Для ориентировочных оценок при ф = 3(Н90° можно использовать зависимость

где йу, оё?=9о° — средние по периметру трубы коэффициенты теплоотдачи соответственно при ф < 90° и ф = 90°.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >