ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Характеристики переноса в полностью развитом турбулентном течении из "Свободноконвективные течения, тепло- и массообмен Кн.2" Большинство свободноконвективных течений, представляющих интерес при изучении природных и технологических процессов, являются преимущественно турбулентными. Их отличает наличие хаотических пульсаций скорости, температуры и давления. Пульсационное поле и вихревое движение способствуют перемешиванию жидкости и возникновению процессов дополнительного переноса. При этом возрастают касательные напряжения и потоки энергии, в связи с чем актуальной становится задача определения характеристик турбулентного переноса. [c.71] Расчет турбулентных течений, вызванных выталкивающей силой, является, как правило, сложным и ненадежным. [c.71] Как будет показано в разд. 11.7.1, некоторый успех достигнут лишь при изучении течений около вертикальных поверхностей. Что касается течений около поверхностей другой конфигурации, то их характеристики определяются с помощью приведенных в разд. 11.7.2 корреляционных соотношений, основанных на экспериментальных данных. [c.71] Однако прежде всего дадим краткое описание некоторых фундаментальных понятий, необходимых для правильного представления турбулентных течений. Более подробно этот вопрос изложен в работах [1, 66, 102, 136, 151]. [c.71] В турбулентном течении полные напряжения представляют собой сумму вязких напряжений J,V oг и дополнительных рей-нольдсовых напряжений (11.7.9). Обычно рейнольдсовы напряжения в несколько раз больше вязких. Поэтому во многих случаях вязкими напряжениями можно пренебречь без больших потерь в точности расчета. [c.73] Это так называемая плотность турбулентного потока тепла. [c.74] Масштабы турбулентного течения при вынужденной конвекции. Для того чтобы описать осредненное и пульсационное движения при турбулентном режиме течения, необходимы две различные группы масштабов. Отметим, что масштабы осредненного движения обычно имеют более высокие значения. [c.75] Обозначим через Г, й и х = 1 й соответственно масштабы длины, скорости и времени пульсационного движения. Они характеризуют мелкомасштабное движение турбулентного течения. Высокочастотные пульсации возникают в результате действия механизмов, описываемых нелинейными членами уравнений движения. При этом наименьший размер вихрей определяется вязкими силами, которые предотвращают образование очень мелких вихрей путем диссипации их энергии в тепло. В результате структура мелкомасштабного движения стремится к изотропной. [c.75] Эти масштабы полезно знать при разработке моделей турбулентности и для общего понимания соотношений, определяющих характеристики теплопередачи. [c.77] Граничные условия в случае изотермической поверхности выражаются уравнениями (3.3.34) и (3.3.35), в которые вместо и, V, t следует подставить соответственно й, V, 1. [c.78] Проблема замыкания системы уравнений. Приведенная выше система уравнений для определения осредненных параметров не является полной. Три уравнения содержат три искомые характеристики осредненного течения й, о, I и, кроме того, два других неизвестных параметра Ещ и гt, т. е. рейнольдсовы напряжения и величину турбулентного теплового потока. Напомним, что система уравнений для определения мгновенных значений параметров турбулентного течения (11.7.4) — (11.7.6) является полной, так как число неизвестных равно числу уравнений. Однако эти уравнения нельзя решить из-за отсутствия универсальных начальных и граничных условий. Лишние неизвестные, такие, как Вт и 8(, или рейнольдсовы напряжения и величина турбулентного теплового потока, появляются из-за осреднения уравнений для мгновенных значений, что создает проблему замыкания системы уравнений для расчета характеристик турбулентного переноса. Решение задачи становится возможным, если известны выражения для определения рейнольдсовых напряжений и турбулентного теплового потока. [c.78] Результаты этих двух работ хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными по теплопередаче. Однако следует признать, что принятая форма профилей скорости и температуры не очень точна, особенно это касается степенной зависимости с показателем 1/7 в уравнениях (11.7.37) и (11.7.38). Вместо того чтобы делать предположения о форме распределения температуры и скорости поперек пограничного слоя, Като и др. [82] задавали профили касательных напряжений, теплового потока и коэффициента турбулентного переноса. Затем они решали уравнения и определяли профили температуры, ско рости и значения коэффициента теплопередачи. [c.79] При другом подходе используется модель турбулентности с одним уравнением. В ней наряду с заданной длиной пути перемешивания решается уравнение баланса кинетической энергии турбулентности К. Имеются модели турбулентности с двумя уравнениями. В них величина определяется путем решения уравнения баланса кинетической энергии К и уравнения для скорости диссипации е. Модели такого типа рассматривались в работах [1, 161]. [c.80] В промежуточной области, названной Джорджем и Кэпом [53] подслоем свободноконвективного течения. В этой области скорость и температура изменяются соответственно как корень кубический из расстояния от стенки и как обратная ему величина. Вблизи поверхности профили скорости и температуры являются линейными функциями. [c.82] Анализ турбулентных течений в основном ограничивался расчетом течений в областях, имеющих простую конфигурацию, в частности около вертикальной поверхности. Соответствующие данные уже приводились выше. Анализ течений около наклонной поверхности, рассмотренный в гл. 5, остается пока сложным и ненадежным. Поэтому приходится полагаться на результаты экспериментов, чтобы иметь необходимые данные о теплопередаче. За многие годы исследований удалось получить определенные сведения о характеристиках теплопередачи в полях течения различной конфигурации. Часть такой информации помещена в разных разделах, посвященных соответствующим вопросам. Ниже приводятся другие различные результаты исследования течений для ряда важных конфигураций. [c.82] Экспериментальные данные по теплопередаче в турбулентном течении воздуха около изотермической поверхности, опубликованные в работе [159], хорошо согласуются с соотношением (11.7.48). В то же время результаты аналогичных экспериментов [18], проведенных в воздушной среде, лучше аппроксимируются зависимостью (11.7.39). [c.82] В работе [25] рекомендуется с помощью зависимостей (3.9.5) и (3.9.10) проводить расчет тепловых потоков в ламинарной или турбулентной области течения для изотермической поверхности и при постоянной плотности теплового потока. Утверждается, что эти эмпирические зависимости справедливы для всех чисел Прандтля. [c.83] Наклонные и горизонтальные поверхности. В работе [154] показано, что соотношением (11.7.50) можно пользоваться для расчета направленного вверх постоянного теплового потока от нагреваемой наклонной поверхности. Для аналогичной поверхности с направленным вниз постоянным тепловым потоком в корреляционной зависимости (11.7.50) необходимо заменить Gr на Gr os 0. Аналогичным образом можно модифицировать обобщающие соотношения (3.9.10) в случае постоянной плотности теплового потока и (3.9.5) для изотермической поверхности, если необходимо рассчитать величину турбулентного теплового потока от наклонной плоской поверхности. [c.83] Несколько корреляционных зависимостей предложено для расчета теплопередачи от горизонтальных поверхностей. С приемлемой точностью можно определить турбулентный тепловой поток, направленный вверх от нагреваемой поверхности, если воспользоваться уравнением (5.5.12). Эта эмпирическая зависимость справедлива для горизонтальных поверхностей различной формы в плане, если, как предложил Гольдштейн [55], в качестве характерной длины взять отношение площади к периметру. Корреляционная зависимость для расчета турбулентного теплового потока, направленного вниз от нагреваемой горизонтальной поверхности, пока не получена. [c.83] Недавно [24] показано, что с помощью уравнения (5.5.16) можно довольно хорошо обобщить такие экспериментальные данные. [c.83] Вернуться к основной статье