Турбулентный режим ( ).
Итак, стабилизированный турбулентный поток имеет пограничный слой, который формируется на некотором расстоянии от входа в трубу.
В результате отсутствия пограничного
слоя на входе происходит скачок
температуры на стенке, т.е. теоретически
температурный градиент равен бесконечности.
Поскольку температур стенка - жидкость
всегда конечная величина, согласно
уравнению:
коэффициент теплообмена также получается
бесконечно большим (на практике это,
конечно, не так).
По мере удаления от входа коэффициент теплообмена уменьшается, стремясь к некоторому предельному значению, которое затем остается постоянным (рис.33)
Рис. 33 Локальный (αx) и средний (α) коэффициенты теплообмена по длине трубы
Расстояние
от входа до сечения, где
называется участком тепловой
стабилизации. Его длина несколько
уменьшается с увеличением
и равна примерно 40d (для
)
и 50d (для
).
В большинстве технических задач
достаточно знать среднее по длине
значение
,
поэтому координату
из уравнения (*) можно исключить. Кроме
того, при больших скоростях течения
действие сил тяжести пренебрежимо мало,
т.е.
,
следовательно,
.
По той же причине можно считать
,
откуда
и, следовательно,
.
Таким образом, уравнение (*) приобретает
вид:
.
В большинство эмпирических формул не входит, они дают погрешность.
В качестве масштаба скорости, входящею в , применяют среднюю расходную скорость на входе в трубу (она постоянна по длине трубы).
В качестве линейного масштаба, входящего
в критерии
и
,
берут внутренний диаметр трубы.
Ламинарный режим ( )
Ламинарный режим характеризуется
параболическим распределением скоростей
по сечению потока. Однако, такая
стабилизация имеет место на расстоянии
от входа. На самом входе в трубу из
большого пространства наблюдается
равномерное распределение скоростей
и, как следствие, температурный градиент
у стенки равен бесконечности, поэтому,
как и при турбулентном режиме,
теоретически равно бесконечности. В
дальнейшем коэффициент теплоотдачи
убывает и в стабилизированном потоке
сохраняет постоянное значение.
Теоретически при ламинарном движении теплообмен со стенкой осуществляется вследствие теплопроводности жидкости. На практике из-за относительно маленьких скоростей на теплообмен влияет ряд дополнительных факторов, важнейшим из которых является свободная конвекция, результатом которой является неравномерный нагрев.
В горизонтальных трубах это вызывает поперечную циркуляцию жидкости, в результате чего в трубе возникает сложное винтовое движение. В вертикальной трубе распределение скоростей, а следовательно, и температур также отличается от изотермического. Искажение поля скорости происходит в результате изменения вязкости с температурой. В результате указанных осложнений формулы для ламинарного течения недостаточно надежны.
Переходный режим (
)
Характеризуется вихревым движением, которое с увеличением постепенно переходит в чисто турбулентный режим с интенсивным перемешиванием вихрей. Действие дополнительных факторов, искажающих поля скорости и температуры, постепенно уменьшается и при развитом турбулентном режиме становится незначительным.
Для переходного режима нет достаточного количества опытных данных, и потому и нет надежных формул. Для ориентировочных расчетов в отсутствии свободной конвекции можно пользоваться формулой:
Индекс «ж» означает, что физические
параметры, входящие в соответствующие
критерии, следует брать при температуре
жидкости. Величина К определяется в
функции критерии Рейнольдса
по таблице.