Тепловіддача у випадку зовнішнього обтікання циліндричної поверхні

Мета роботи дослідити локальні й середній коефіцієнти тепловіддачі по периметру циліндра, який перебуває в поперечному потоці рідини за різних кутів атаки, і одержати критеріальне рівняння тепловіддачі.

6.1. Основні теоретичні положення

Обмивання циліндра поперечним потоком рідини характеризується тим, що, коли значення критерію Рейнольдса Rе < 5, відбувається обмивання в умовах ламінарного руху, а коли Rе > 5, настає утворення вихрової доріжки в кормовій частині циліндра, що пояснюється відривом суміжного шару внаслідок зростання тиску вздовж потоку й сповільнення руху рідини твердою стінкою [1; 2].

Своєрідний характер обмивання циліндра впливає на тепловіддачу, яка дуже змінюється по колу циліндра. У лобовій частині утворюваний ламінарний суміжний шар лімітує тепловіддачу, інтенсивність якої зменшується із збільшенням товщини суміжного шару. З кормового боку виниклі завихрення приводять до більш інтенсивної тепловіддачі. Складність характеру обмивання й зміни тепловіддачі по колу циліндра викликає значні труднощі теоретичного вирішення [3].

Середній по колу коефіцієнт тепловіддачі можна знайти за критеріальним рівнянням:

, /6.1/

одержаним на основі подібності [3; 5]. Тут як визначальний розмір беруть зовнішній діаметр циліндра; швидкість відноситься до найвужчого поперечного перерізу каналу, стисненого циліндром.

Визначальною температурою є середня температура рідини. Величину вибирають за середньою температурою поверхні циліндра.

Відомо, що на інтенсивність тепловіддачі впливає кут між напрямком потоку і віссю циліндра /кут атаки /. Його вплив враховується поправкою . Значення середньої інтенсивності тепловіддачі при цьому визначається виразом

де – середні коефіцієнти тепловіддачі відповідно, коли і .

Зокрема, для кутів , , і металічних поверхонь за даними [5] значення відповідно дорівнюють 0,67; 0,88; 0,98.

6.2. Опис установки

Установка /рис. 6.1/ складається з циліндра 1 з електронагрівником 2 всередині і шістьома термопарами 6 на поверхні. Термопари розміщено рівномірно по довжині й периметру циліндра. Циліндр поміщено в корпус 3, до якого через колектор 5 підводять воду по трубах з регулюючими вентилями 4 і розміщеними під різними кутами до осі досліджуваного циліндра соплами.

Корпус має вікна з оргскла для візуального дослідження процесі. Потужність нагрівників регулюють ЛАТРом 12 і вимірюють ватметром 11. на вході в корпус і на виході з нього поміщено термометри 7 для вимірювання температури води. Для реєстрації температури циліндра призначено потенціометр 13. Температуру води в термостаті 8 регулюють контактним термометром, а витрати води вимірюють витратоміром 10.

Циркуляцію води в системі здійснює насос 9.

6.3. Порядок проведення дослідів

Перед проведенням дослідів за схемою перевірити гідравлічну, електричну й вимірювальну мережі. Увімкнути нагрівачі термостата й циліндра, встановивши температуру води й потужність нагрівника циліндра за вказівкою викладача. Добитися термостатування поверхні труби й води. Відкрити вентилі за колектором і перед ним і встановити витрату води. Зняти покази всіх термопар, термометрів на вході й виході з корпуса, ватметра, витратоміра і внести до табл. 6.1.

Досліди для встановленого кута атаки провести при трьох різних значеннях потужності теплового потоку нагрівника циліндра.

Таблиця 6.1

Но- мер дос- ліду

Q Вт

Но-мер ви-міру

Значення температур по периметру циліндра, ⁰С

V м³/с

, ⁰С

Сере- дній

6.4. Порядок обробки результатів дослідів

За трьома вимірами кожної величини обчислюють її середнє значення.

Для кожного значення встановленої потужності теплового потоку потрібно:

1/ побудувати графік розподілу температури циліндра по периметру;

2/ визначити середню температуру поверхні по довжині циліндра

, /6.2/

де – кількість точок вимірювання;

3/ визначити середню температуру потоку:

; /6.3/

4/ визначити локальні коефіцієнти тепловіддачі по периметру:

, /6.4/

де – тепловий потік, Вт; – площа поверхні циліндра, м²; ; – відповідно діаметр і довжина циліндра, = 0,06 м; = 0,22 м; –локальний перепад температур;

5/ побудувати графік розподілу інтенсивності тепловіддачі по периметру труби

, /6.5/

де – кут розміщення термопар на поверхні циліндра;

6/ визначити середній перепад температур між стінкою і рідиною

; /6.6/

7/ визначити середній коефіцієнт тепловіддачі

; /6.7/

8/ визначити критерій Нуссельта

, /6.8/

де ;

9/ визначити швидкість потоку у вузькому місці

, /6.9/

де – живий переріз у вузькому місці, м², ; - висота корпусу, = 0,15 м.

10/ визначити критерій Рейнольдса

, /6.10/

де значення .

За значеннями і вибрати значення і .

Дані розрахунків внести до табл. 6.2.

Таблиця 6.2

№ п/п

Дослідні точки нанести на графік у координатах

Через точки провести апроксимуючу криву.

За дослідною кривою встановити аналітичний вираз для функції

, /6.11/

де і – сталі, які визначають з графіка.

6.5. Контрольні запитання

1. Особливість поперечного обтікання циліндрів.

2. Як змінюється інтенсивність тепловіддачі по периметру?

3. Причини впливу кута атаки на інтенсивність тепловіддачі.

4. візуальна картина потоку.

5. Причина завихрення в кормовій частині циліндра.

6. Як визначити витрату теплоносія в процесі поперечного обтікання?

7. Як одержати критеріальну залежність і на які явища її поширити?

8. Порівняння графічних залежностей зміни температури та інтенсивності тепловіддачі по периметру циліндра.

9. Мета обробки дослідних даних у критеріальному вигляді.

6.6. Техніка безпеки

1. Перед увімкненням оглянути установку й ретельно перевірити за схемою гідравлічне, електричне й вимірювальне кола.

2. Збільшення витрати теплоносія через вимірювальний вузол робити поступово, запобігаючи різкому відкриванню й закриванню регулюючих вентилів.

3. Установка має бути заземлена.

4. Заборонено залишати установку ввімкненою без нагляду.

5. Вмикаючи установку, треба спочатку ввімкнути систему циркуляції теплоносія і тільки потім нагрівник і прилади.

6. Після закінчення роботи треба знеструмити установку.