Экспериментальное исследование теплообмена при струйном обтекании конуса



Эксперименты по измерению местного коэффициента теплоотдачи проводились при углах раскрытия конуса ω=15⁰; 90⁰. Причем, струя рапространялась как от основания конуса в сторону вершины, так и от вершины в сторону его основания. В ходе экспериментов выяснилось влияние параметра поперечной кривизны, угла раскрытия конуса, направление истечения струи, начального и текущего числа Рейнольдса на местный коэффициент теплообмена пристенной струи [1].

Благодаря отсутствию необогреваемого участка в начале струи, динамический и тепловой пограничные слои начинали формироваться одновременно независимо от параметров ω и S_R.

Первичные результаты измерений местного коэффициента теплообмена приведены на рис.1–2. На графиках продольная координата х отсчитывается со среза сопла и продолжает расти вдоль образующей конуса.

Как видно из рис.1 и 2 значения местного коэффициена теплоотдачи для случая расходящегося конуса с углом при вершине ω=15⁰ сначала возрастает до 10÷14 калибров, затем монотонно уменьшается с удалением от сопла.

Рис. 1. Местные коэффициенты теплообмена в расходящейя конической струе u₀=const, b=var

Рис. 2. Местные коэффициенты теплообмена в расходящейся конической струе b=const, u₀=var

По результатам измерений местные коэффициенты теплообмена сходящейся конической струи при ω=15⁰ обнаружено, что местный коэффициент теплообмена сначала заметно уменьшается, подтверждая наличие ламинарного пограничного слоя, затем на расстоянии 15–20 калибров от сопла, достигнув максимума, что соответствует концу переходного участка, снова начинает уменьшаться, уже в основном участке. Отсюда следует, что в сходящейся пристенной струе область с ламинарным режимом течения гораздо длиннее, чем в расходящейся струе в аналогичных условиях.

На рисунках 3–4 результаты измерения местного коэффициента теплообмена обработаны в координатах Nu_x=f (Re_mx), где Nux=αx/λ, Remx=um·x/υ [2].

Распределение локального коэффициента теплообмена расходящейя конической и радиальной струи приведено на рис. 3. Здесь же приведены расчетные зависимости коэффициента теплообмена:

Nux = 0.43 Pr 1/3Re x1/2 (1)

Nux = 0.0306 Pr ¼ Re x0.8 (2)

Nux = 0.038 Pr ¼ Re x0.8(3)

соответствующие теплообмену при обтекании пластины ламинарным (линия 1), турбулентным (линия 2), однородным потоком и при струйном обтеканий (линия 3). [3]

Рис. 3. Местный коэффициент теплообмена раходящейся струи при различных u₀, b=const.

Рис. 4. Местный коэффициент теплообмена раходящейся струи при различных S_R

Как видно, благодаря влиянию поперечной кривизны обтекаемой поверхности экспериментальные зависимости значительно отличаются от зависимости (3). Аналогичный результат был получен при исследовании теплообмена конуса. Это обусловлено тем, что с удалением от сопла изменение максимальной скорости приближается к зависимости u_m˜ и значения перестает изменяться с ростом х, хотя продолжается рост значения Nu_x.

Поэтому все экспериментальные данные по измерению местного коэффициента теплообмена были обработаны в координатах St₀=f (x/b) и St_m=f (x/b), где St₀=, - плотность воздуха в условиях эксперимента, u_m- максимальная скорость струи в данном сечении.

Применение полуограниченных струйных течений в химическом машиностроении, топочной технике, а также для. охлаждения камер сгорания различных устройств вызвало повышенный интерес специалистов в соответствующих исследованиях. В последнее время становятся все более актуальными исследования турбулентного обмена в полуограниченных струях и потоках, в связи с перспективой применения их результатов для очистки приземного воздушного бассейна.

В имеющихся работах рассматривались закономерности аэродинамики и теплообмена при продольном обтекании струей плоской пластины, цилиндра и шара, для которых выявлены основные закономерности течения.

Одной из разновидностей полуограниченных течений является струйное обтекание круглого конуса, ' изучению которого посвящено совсем немного работ. Большинство имеющихся теоретических работ рассматривают, в основном, сверхзвуковое обтекание конуса или обтекание конуса ламинарной струей, где допустимы определенные пренебрежения. Экспериментальные работы ограничиваются рассмотрением случая, когда струя распространяется в сторону основания конуса и в целом не раскрывают полной картины полуограниченных струйных течений. Практически отсутствуют работы по изучению закономерностей сходящейся конической и радиальной полуограниченных струй. В то же время, изучение аэродинамики и теплообмена полуограниченной струи, распространяющейся вдоль конуса, как в сторону основания, так и в сторону вершины даэт возможность подойти к решению задач пристенного турбулентного т^яения, поскольку вопрос об обтекании конуса обобщает большой класс задач струйного обтекания поверхностей различной геометрии.

Вывод:

В данной работы экспериментально исследовалось влияния числа Рейнольдса, параметра поперечной кривизны и угла раскрытия конуса на местные коэффициенты теплообмена в расходящейся и сходящейся турбулентной полуограниченной струе, распространяющейся по поверхности конуса. Экспериментальные исследования коэффициента местной теплоотдачи проводились при углах раскрытия конуса ω=15,00; 90,00. Результаты показали, что в расходящейся струе (ω=15,00) на высоте между 10–14 калибрами наблюдается в начале рост, а затем равномерное уменьшение коэффициента местной теплоотдачи.

Показано, что обработка данных теплообмена в координатах Nu_x=f (Re_mx) для расходящейся конической струи не корректна. Экспериментальные данные лучше обобщаются в координатах St_m=f (x/b). Но влияние параметра поперечной кривизны и угла раскрытия конуса не может быть учтено только коэффициентами, зависящими от параметров S_R и ω, а зависит также от продольной координаты х.

Литература:

1. Акатнов Н. И. Распространение плоской ламинарной струи несжимаемой жидкости вдоль твердой стенки //Труды ЛПИ им. М. И. Калинина. 1989. № 1. -C.171–173.
2. Исатаев С. И. Распространение ламинарной полуограниченной струи, вытекающей из кольцевого источника конечного диаметра, вдоль цилиндрической, конической и сферической поверхностей //Прикладная теплофизика.-Алма-Ата,1987. Вып.2.
3. Цуккер М. С. Ламинарная несжимаемая струя, бьющая из радиально-щелевого диффузора вдоль стенки // ПММ.1999.Т.18.Вып.6. -C.757–761.