Теплоотдача при вынужденном поперечном омывании трубы

На рис. 9.1 показана схема движения жидкости при поперечном омывании круглого цилиндра. Почти вся лобовая поверхность (в пределах дуги а-а, соответствующей центральному углу 2 ) омывается безотрывно потоком жидкости. За пределами дуги а-а происходит отрыв струек, а вся тыльная поверхность цилиндра находится ввихревой зоне. В соответствии с такой схемой движения жидкости коэффициент теплоотдачи изменяется по окружности цилиндра. При угле (угол отсчитывается от лобовой образующей цилиндра) в пределах 90…100° значение числа Nu. (а следовательно, и ) достигает минимума, а при = 0 и 180° —максимума. Такого рода характер изменения числа Nu объясняется тем, что при обтекании цилиндра потоком жидкости на его поверхности образуется пограничный слой переменной толщины. Этот слой имеет минимальную толщину у лобовой образующей, постоянно утолщается по мере приближения к средней части трубы и достигает максимальной толщины приблизительно у экваториального сечения. Благодаря большей толщине пограничного слоя увеличивается тепловое сопротивление теплоотдачи, а в связи с этим уменьшается коэффициент теплоотдачи .

При углах порядка 80...100° происходит разрушение пограничного слоя и, как указывалось, отрыв струи с поверхности цилиндра с образованием вихревой области. В связи с этим интенсивность теплоотдачи возрастает, достигая вновь максимума при = 180°. При малых значениях числа Рейнольдса теплоотдача на тыльной стороне цилиндра меньше, чем на лобовой стороне. По мере увеличения числа Рейнольдса теплоотдача на тыльной стороне увеличивается.

Рассмотренный режим течения жидкости может быть назван смешанным, поскольку на фронтальной стороне имеет место ламинарный, а на тыльной - турбулентный, режим. Такой характер течения наблюдается при Re =5... 2·10⁵.

Положение точки отрыва вихрей от цилиндра не является стабильным. При большой степени турбулизации потока, характеризуемой числом Re>2·10⁵, течение не только в канале, где установлена труба, но и в. пограничном слое переходит в турбулентное. Отрыв турбулентного пограничного слоя от цилиндра происходит при = 120... 140°. Последнее обстоятельство улучшает обтекание цилиндра вследствие уменьшения вихревой зоны и резко увеличивает теплоотдачу.

Ламинарное безотрывное течение жидкости по всему периметру цилиндра имеет место при Re<5.

В результате многочисленных исследований и последующего обобщения опытного материала теплоотдача одиночного цилиндра в поперечном, перпендикулярном оси цилиндра потоке может быть определена по формулам, предложенным А. А. Жукаускасом:

при Re =5... 1·10³

, (14.8)

при Re =1·10³…2·10⁵

. (14.9)

По формулам (14.8) и (14.9) определяют осредненные по длине окружности значения коэффициента теплоотдачи . За определяющий линейный размер в приведенных формулах принимают наружный диаметр труб.

Рисунок 14.1 – Схема движения жидкости при поперечном омывании круглого цилиндра