Теплоотдача при поперечном омывании одиночной круглой трубы

а) Особенности течения

Из экспериментов известно, что плавное обтекание трубы имеет место только при Re<5 (Re = , где w- скорость потока, d- наружный диаметр трубы)

При больших числах Re появляются отрывы течения, и в кормовой части образуется вихревая зона

При этом в лобовой точке поток плавно обтекает трубу на поверхности трубы образуется ламинарный пограничный слой. Его развитие (увеличение толщины по периметру трубы) происходит в условиях переменного давления. Согласно уравнению Бернулли давление в потоке тем меньше, чем больше скорость. Т.О., минимум давления соответствует =90°. Далее давление снова возрастает и происходит отрыв потока.

Схема развития отрыва:

Рис. 28. Схема развития отрыва потока при обтекании трубы

Положение точки отрыва зависит от характера пограничного слоя. При ламинарном течении _{отр ,} при турбулентном течении _{отр .}

Это связано с тем, что турбулентный пограничный слой имеет большую кинематическую энергию и поэтому может преодолеть большие возрастания давления без отрыва. Наличие ламинарного пограничного слоя вплоть до точки отрыва может наблюдаться при малой степени турбулентности (Tu<0,1%) набегающего потока Re<( )·10⁵

Степень турбулентности Tu= , где -средние турбулентные пульсации скорости.

Если Re>(1÷4)·10⁵ или Tu>0,1%, то течение в пограничном слое становится турбулентным и точки отрыва отодвигаются до =120÷140°.(это в лабораторных установках).

В обычных технических устройствах степень турбулентности не бывает меньше 1% и поэтому образование турбулентно пограничного слоя может происходить уже при Re>10³(Re>1000). Отсюда видно влияние Tu.

В результате такой сложной картины обтекания цилиндра, теплоотдача сильно зависит от угла и условий течения. Например, для ламинарного пограничного слоя. Вначале убывает за счет роста толщины слоя вплоть до точки отрыва. Далее он несколько возрастает.

Обычно в технических приложениях достаточно определить средний коэффициент теплоотдачи.

б) Определение коэффициента теплоотдачи

при обтекании потоком жидкости, направленным перпендикулярно трубе расчет производят по формулам

А

Б

В

Влияние турбулентности внешнего потока

Учитывается введением поправки в расчетную формулу

Nu=0,25( )· ·

или, что то же самое

α= ·

где -без учета степени турбулентности.

Примечание:

В случае «А» турбулентность затухает во внешнем потоке, поэтому её влияние не учитывают, случай «В» - очень сильно развитая турбулентность в пограничном слое. Поэтому турбулентность внешнего потока не приведет к увеличению теплоотдачи.

Поправку рассчитывают по формуле

обычно 1≤ ≤2

Влияние угла атаки

Труба может обтекаться под углом, отличающимся от 90°

Ψ-угол атаки. Поэтому вводят поправку

Теплоотдача при поперечном омывании пучков труб

Различают коридорные (а) и шахматные (б) пучки

	а)	б)

Рис. 29. Схемы обтекания трубных пучков а)коридорных и б)шахматных. S₁-шаг поперек потока, S₂-шаг вдоль потока

Особенности течения.

Различают течения с ламинарной формой движения жидкости между трубками и с турбулентной.

При турбулентном течении характер пограничного слоя на самих трубках может быть или ламинарным, или с сочетанием ламинарной и турбулентной зон, или чисто турбулентным.

Кроме того, следует учитывать, что при ламинарном течении сзади трубок вихри. Они способствуют турбулизации потока в глубине пучка. И уж во всяком случае, интенсифицируют теплоотдачу в глубине пучка.

Чаще всего в технических устройствах реализуется такое течение: Между трубами течение турбулентное. Пограничный слой на носке трубы ламинарный с переходом к турбулентному. Это бывает при

Называется такое течение - смешанным (смешанный режим).

Определение коэффициента теплоотдачи

При смешанном режиме течения омывание первых рядов труб любых пучков и их теплоотдача такие же, как и для одиночных труб. Для второго ряда шахматного пучка увеличение теплоотдачи (за счет турбулизации потока при обтекании первого ряда) незначительно. А для второго ряда коридорного пучка увеличение теплоотдачи очень существенно: к третьему ряду теплоотдача стабилизируется и может быть рассчитана по формулам:

где с=0,41 , n=0,6 - для шахматных и

с=0,26 , n=0,65 - для коридорных пучков.

По этой формуле определяют коэффициенты теплоотдачи третьего, четвертого и т. д. рядов труб т. е. α₃.

Здесь - поправка на влияние величины шагов

для коридорного пучка

для шахматного пучка

, но не более 1,12

Для расчета теплоотдачи от первых рядов вводят поправку на номер ряда , а средний по пучку коэффициент теплоотдачи , где n-число рядов труб в пучке.

Рис. 30. Поправка, учитывающая число рядов труб в пучке

Влияние угла атаки

учитывается поправкой

30

60

Рис. 31. Поправка, учитывающая угол атаки

Примечание: Пучком обычно считают конструкции, когда ; ; не превышают 4÷5. В противном случае расчет можно вести по формулам для одиночной трубы, т. к. пучок слишком редок, чтобы одна влияла на другую.