Теплоотдача при вынужденном поперечном обтекании труб Одиночная труба Особенности гидродинамики
Плавное
безотрывное обтекание, как на рис.
…, имеет
место лишь при очень малых скоростях,
при
,
где
,
– наружный диаметр трубы.
Рис. …
При
цилиндр является плохообтекаемым телом,
на задней поверхности которого происходит
отрыв потока и образуются вихри (рис. …).
а) Re=13,1 б) Re=26
Рис. …
С
увеличением скорости вихри вытягиваются
и срываются поочередно, образуя дорожку
чередующихся вихрей (вихревая дорожка
Кармана,
рис. …).
Частота отрыва зависит от числа
и при
соответствует примерно значению числа
Струхаля
,
где
– частота отрыва вихрей. Это означает,
что шаг вихрей Н
пропорционален
диаметру
:
(при скорости движения вихрей равной
при частоте
).
Рис. … . Re=105
В
лобовой части трубы обтекание плавное
с образованием погранслоя, нарастающего
по толщине. При этом скорость на внешней
границе погранслоя растет от лобовой
точки (точки разделения потока) к точке
,
а давление соответственно падает. Далее,
если бы обтекание было безотрывным,
скорость должна была бы падать, а давление
расти. Но такой рост давления вызвал бы
«обратный» поток в погранслое. Реальный
погранслой при этом становится
неустойчивым, происходит отрыв потока.
В ламинарном погранслое (при
)
это происходит уже при
.
При
(или
внешней турбулизации) из-за турбулентного
перемешивания поток более устойчив,
зона отрыва смещается до
,
обтекания лучше.
В вихревой зоне у тыловой поверхности трубы движение неупорядоченное, хаотичное, его средняя интенсивность растёт с .
Особенности теплоотдачи
При такой гидродинамике
значения локального коэффициента
теплоотдачи
сильно меняются по периметру трубы. В
лобовой части значения
большое благодаря малой толщине
погранслоя, причем с ростом
рост толщины погранслоя уравновешивается
ростом скорости, и
сначала уменьшается мало. Далее скорость
нарастает медленнее, а погранслой
быстрее, и при ламинарном режиме
быстро падает до точки отрыва, затем
снова растет из-за перемешивания в
вихревой зоне (рис.
…).
Такой
ламинарный режим имеет место при
.
При
погранслой ещё до отрыва становится
турбулентным, и
снова резко растет, а далее опять падает
до точки отрыва, затем вновь возрастает
до значений, даже превышающих значения
при небольших
(рис.
…)
Уравнения для расчета теплоотдачи.
Обычно
при расчетах требуется определять
только средний по периметру коэффициент
теплоотдачи
,
которому соответствует число
.
Структура
уравнений обычная, известны различные
варианты. Например, один из наборов
уравнений для разных диапазонов
при
,
при
,
при
.
Здесь
определяющий размер – наружный диаметр
трубы
,
определяющая температура
– средняя температура жидкости, скорость
– среднеобъемная для самого узкого
сечения канала, стеснённого цилиндром
(трубой). Для газов как обычно, следует
считать
,
то есть поправка на неизотермичность
не
применяется.
При
обтекании трубы с углом атаки
(не перпендикулярно оси трубы, косое
обтекание, рис.
...) вводится
поправочный коэффициент
.
Его величину можно найти в справочниках,
для приближенной оценки можно использовать
зависимость
(то есть
).
Таким образом, общая структура уравнения подобия для расчёта теплоотдачи одиночной трубы
.