Теплоотдача при турбулентном режиме движения

Гидродинамический начальный участок может образовываться и при турбулентном течении при Re_жd ≥ 10⁴ (см. рис. 11б). На входе в трубу образуется ламинарный пограничный слой. При достижении потока участка трубы х_кр2 ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный.

При Re_жd ≥5∙10⁴ турбулентный пограничный слой образуется с самого начала трубы. Окончательное смыкание турбулентного пограничного слоя происходит при l_нт≈15d. Изменение среднего и локального коэффициентов теплоотдачи по длине трубы при переходе ламинарного пограничного слоя в турбулентный показано на рис. 14. Из рис. 12б видно, что распределение скорости потока при этом режиме отличается от параболического. Основное падение скорости (и температуры) происходит у стенки трубы - по толщине тонкого вязкого подслоя δ_п. В турбулентном ядре потока скорость и температура изменяются мало, поэтому влияние переменной вязкости и свободного движения на характер вынужденного движения невелико, и в уравнении подобия (4.3) отсутствует число Грасгофа /2/

Nu_жd = 0,021Re_жd^0,80 Pr_ж^0,43(Pr_ж /Pr_ст )^0,25_l . (4.3)

Из уравнения (4.3) видно, что коэффициент теплоотдачи при турбулентном режиме зависит отив большей степени, чем при ламинарном~ (∙)^0,8, на слабо влияет диаметр труб~d ^-0,2. Множитель в скобках(Pr_ж /Pr_ст )^0,25 имеет тот же смысл, что и при естественной конвекции (см. с. 20). Для газов Pr =const, и (Pr_ж /Pr_ст )= 1, поэтому формула (4.3 ) упрощается /2/

Nu_жd = 0,018 Re_жd^0,80 . (4.4)

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка состоит из пульта управления, рабочего участка, контрольно-измерительных приборов, системы электропитания и прокачки воздуха через рабочий участок. Рабочий участок установки - труба из нержавеющей стали (2) с внутренним диаметром d = 8,50,01 мм толщиной стенки δ = 0,55 мм, установленная горизонтально на двух тепло - и электроизоляционных опорах из текстолита (1) и (3) (см. рис. 15).

На рис. 16 показана схема измерений. Рабочий участок нагревается постоянным током низкого напряжения, подаваемым через понижающий трансформатор (2а) на тоководы - медные шайбы, приваренные на концах рабочего участка на расстоянии L= 0,725 м друг от друга. Электрическое сопротивление трубки при температуре воздуха 20^оС составляет R = 0,0344 Ом. Из соображений обеспечения надежности установки максимальное напряжение на рабочем участке ограничено величиной U = 1,7 В. Напряжение регулируется лабораторным автотрансформатором (2а) и измеряется цифровым вольтметром (2б).

Рис. 15. Рабочий участок установки

Температуры воздуха t_ж и стенки трубы t_с измеряются двенадцатью хромель-копелевыми термопарами (1-3а)-(12-3а), подключаемыми к логометру (3в) последовательно с помощью переключателя (3б) с точностью до 0,1 ^оС. Логометр (3в) имеет автоматическую компенсацию температуры холодных спаев термопар. Температура воздуха измеряется двумя термопарами: на входе (12-3а) и на выходе из рабочего участка(11-3а). Для перемешивания воздуха перед термопарой (11-3а) установлена сетка (4) (см. рис. 15). Температура стенки рабочего участка измеряется десятью термопарами (1-3а)-(10-3а), припаянными к наружной поверхности трубки (2). Координаты горячих спаев термопарх_i, установленных на трубке для измерения локальных температур t_i, отсчитываемые от входа в трубку, соответствующих i–й термопаре, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Номер термопары	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
хi , мм	25	45	85	155	250	370	490	610	695	715

Через трубу с помощью центробежного вентилятора прокачивается воздух, который забирается из помещения, где расположена установка. Скорость воздуха (и, соответственно, его расход через трубу) может регулироваться путем изменения скорости вращения электродвигателя вентилятора с помощью регулятора напряжения - автотрансформатора.

Скорость воздуха в рабочем участке измеряется трубкой Пито (1а), установленной на выходе из рабочего участка. Перепад давления H, отбираемый трубкой, измеряется водяным U-образным манометром или дифференциальным манометром типа ДМ-ЭР (12б), усиленный сигнал которого регистрируется миллиамперметром (1в).

Рис. 16. Схема измерений лабораторной установки по определению коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении воздуха в трубе

С помощью второго дифманометра ДМ-ЭР (4б), сигнал с которого поступает на цифровой миллиамперметр (4в), может измеряться падение давления на рабочем участке Р. Измерение Р дублируется водяным U-образным манометром (19). Трубки отбора давления расположены на расстоянии L = 0,725 м. Барометрическое давление в лаборатории измеряется барометром-анероидом.