ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ПРОБЛЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕЧЕНИЯ из "Расчет и конструирование теплообменников" В этой главе описываются характеристики течения для некоторых геометрически простых участков канала, обычно рассматриваемых в задачах о распределении скорости, а затем приводятся некоторые типичные случаи, вызывающие основные трудности. [c.117] Неудовлетворительное распределение скорости по сечению канала теплообменной матрицы часто связано с плохими условиями на входе, которые вызывают отрыв потока. Накопленный опыт позволяет рекомендовать в качестве самого эффективного способа разрешения проблем, связанных с отрывом потока, использование экспериментальных установок, позволяющих непосредственно наблюдать картину течения [1—3]. Желательно также исследовать фотографии типичных картин течения, полученные в процессе эксперимента. [c.117] Отверстие с острыми кромками. На рис. 6.1 показана типичная картина течения через отверстие с острыми кромками. Отметим плавный характер течения перед отверстием, сужение потока при прохождении через отверстие в преграде и образование вихрей с каждой стороны струи после прохождения отверстия. Ясно, что средняя скорость струи существенно выше номинальной скорости, полученной путем деления полного объемного расхода на площадь всего отверстия. По этой причине коэффициент расхода через отверстие с острыми кромками принимается равным - 0,6, если диаметр канала значительно больше диаметра отверстия. [c.117] Прямоугольное отверстие с заплечиком. Картина течения, показанная на рис. 6.2, совершенно аналогична показанной на рис. 6.1, за исключением того, что вихри по периферии струи ограничены меньшим размером поперечного сечения канала. Вихри такого типа не только вызывают потери давления, но в некоторых случаях могут вызвать эрозию, если в жидкости содержатся абразивные частицы, например песок. Эрозия внутренней поверхности труб конденсатора непосредственно за входным отверстием часто бывает вызвана частицами песка в охлаждающей воде. [c.117] Диффузоры. Влияние сужения и расширения канала отражено на рис. 6.4. Заметим, что во всех случаях линии тока на входе имеют плавную форму, но что в любом данном сечении вниз по потоку от входа толщина пограничного слоя увеличивается по мере расширения сопла. В случае, показанном на рис. 6.4, а, благодаря постепенному сужению канала поток ускоряется до такой степени, что толщина пограничного слоя перестает расти уже на расстоянии примерно одного диаметра от входа. На рис. 6.4, б постепенное расширение канала приводит к заметному утолщению пограничного слоя и образованию небольших вихрей, однако отрыва потока не наблюдается. На рис. 6.4, в показан канал с большой степенью расширения, в котором происходит отрыв потока с образованием большого вихря около одной стенки. Заметим, что толщина пограничного слоя вдоль другой стенки примерно та же, что и на рис. 6.4, б. Высокоскоростная струя в диффузоре, аналогичном показанному на рис. 6.4, в, произвольно перемещается от одной его стенки к другой под влиянием небольших возмущений потока на входе. [c.118] Колена. На рис. 6.5 показано течение через два колена, расположенных последовательно одно за другим. В каждом колене происходит отрыв потока с образованием вихрей и обратного течения непосредственно за изгибом меньшего радиуса. Особенно это наглядно видно для первого колена, картина течения в котором полностью по хадает в поле зрения. Рассмотрение основных действующих сил позволяет сделать вывод, что отрыв потока должен произойти именно в этой области, поскольку центробежная сила вызывает существенный градиент статического давления в радиальном направлении в плоскости изгиба, причем область самого низкого статического давления находится на внутреннем изгибе канала. В условиях потенциального течения статическое давление становится равномерно распределенным по сечению канала после поворота потока в колене, следовательно, оно увеличивается вдоль стенки в направлении потока. В реальных жидкостях наблюдается то же самое распределение давления, но при этом происходит отрыв потока, приводящий к диссипации энергии в вихрях. [c.118] Коллектор с перегородкой. Чтобы избежать эффекта струйного течения (см. рис. 6.1 и 6.3), во входном трубопроводе можно установить концентрическую центральную перегородку, которая позволяет улучшить распределение потока на входе в теплообменную матрицу, расположенную в большом канале или резервуаре под давлением. [c.119] Устройство этого типа показано на рис. 6.6. Заметим, что в верхних правом и левом углах образуются вихри. Эти вихри аналогичны образующимся после поворота потока в первом колене (см. рис. 6.5). Следует также обратить внимание на возникновение застойной зоны в центре экрана и вихрей по его краям. Хотя эта картина течения оставляет желать лучшего, центральная перегородка, по-видимому, уменьшает застойную зону до некоторой доли полного поперечного сечения камеры. Дальнейшим усовершенствованием, очевидно, является использование перфорированных экранов. [c.119] Этот эффект показан на рис. 6.8, где Ус — скорость на центральной линии струи Уо — начальная скорость струи, Оо — диаметр сопла, а Хо — расстояние от плоскости среза сопла [4, 5]. [c.120] При оценке прироста статического давления, связанного с увеличением площади поперечного сечения канала, следует помнить, что в идеальном случае прирост статического давления должен быть равен потерям скоростного напора, т. е. [c.121] Согласно экспериментальным данным, действительный прирост давления по существу равен вычисленному по (6.2). Разность ДРид — АР а характеризует в основном потери энергии на вихреобразование. [c.121] Прирост статического давления в идеальных условиях. [c.122] Диффузоры с прямыми стенками. Гораздо эффективнее диффузоры с постепенно расходящимися стенками, как показано на рис. 6.9, б [2]. Чтобы размеры такого диффузора и потери на трение в нем были по возможности минимальными, желательно угол раствора сделать максимальным, но таким, при котором еще не происходит отрыва потока и потерь на вихреобразование. Угол диффузора с максимальным к. п. д. зависит от отношения его длины к характерному размеру горла как для прямоугольного диффузора, так и для конического ди( узора (рис. 6.10). Кривые на рис. 6.10 построены для трех разных отношений длины диффузора к размеру для каждой конфигурации. Поскольку стенки прямоугольного диффузора расширяются только в одной плоскости, берут отношение длины ди( узора к ширине его горла, в то время как в случае конического диффузора, расширяющегося в двух измерениях, используют отношение длины к радиусу горла. Благодаря этому идеальный градиент статического давления вдоль стенок канала по существу одинаков в обоих случаях. Как и следовало ожидать, при любой заданной длине диффузора его к. п. д. сначала возрастает с увеличением угла, достигает максимума, а затем уменьшается, как только начинается отрыв потока, вызывающий потери на вихреобразование. Заметим, что чем больше отношение длины диффузора к характерному размеру его горла, тем меньше угол, при котором достигается максимальный к. п. д. Конические диффузоры имеют некоторые преимущества по сравнению с прямоугольными, хотя разница между ними невелика. При одинаковых значениях отношений площадей выходного и входного сечений и длины канала к диаметру кольцевые диффузоры, образованные двумя концентрическими конусами, имеют аналогичные характеристики [2]. [c.122] Увеличение вдвое длины такого диффузора позволяет восстановить 70% потерь энергии и повысить идеальный коэффициент восстановления кинетической энергии примерно до 90% полной кинетической энергии на входе в диффузор. На рис. 6.П показано влияние отношения диаметров сечений на выходе и входе на отношение площадей и идеальный коэффициент восстановления кинетической энергии для конического диффузора с углом 7° и для случая внезапного изменения площади поперечного сечения канала. Следует отметить нецелесообразность увеличения отношения длины диффузора к его диаметру более 30, так как потери на трение сводят на нет небольшой достигаемый прирост давления. [c.123] НИЯ торможения потока до заданной скорости. На участке между параллельными стенками диффузора (см. рис. 6.12, а) площадь канала такова, что она увеличивается с увеличением радиуса по существу с той же скоростью, что и в коническом диффузоре с углом 7° (см. рис. 6.9, б). У диффузора, изображенного на рис. 6.12, а, радиус расширяющегося участка на входе равен радиусу канала на входе, а расстояние между параллельными пластинами на участке радиального течения составляет 31 % радиуса канала на входе. [c.124] С помощью изогнутых по спирали лопаток (см. рис. 6.12, б) можно уменьшить диаметр радиального диффузора, требуемый для обеспечения торможения потока до заданной скорости, по сравнению с диаметром диффузора, изображенного на рис. 6.12, а,. увеличив длину криволинейного участка канала. Лопатки предотвращают образование больших вихрей в окрестности внешнего периметра, возникающих в результате неравномерности распределения окружной скорости. Эти вихри закручиваются вокруг осей, параллельных оси входного канала. В любом случае во избежание отрыва потока скорость изменения площади проходного-сечения канала вдоль линии тока должна быть такой же, как у конического диффузора с углом раскрытия 7°. Если накладываются ограничения на радиальный размер диффузора, можно использовать конусообразные лопатки, с помощью которых достигается примерно такой же эффект, что и в конфигурации, изображенной на рис. 6.9, в. [c.124] По существу аналогичный диффузор обычно используется в потолочных вентиляционных системах. Он имеет концентрические кольцевые лопатки. Диффузор такого типа изображен на рис. 6.12, в. Его длина укорочена благодаря использованию лопаток, позволяющих уменьшить эквивалентный диаметр канала. [c.124] Промышленные образцы диффузоров этого типа обычно имеют слишком малые величины отношения длины к диаметру для обеспечения удовлетворительного восстановления давления. Но они достаточно эффективны, так как распыляют большую одиночную струю и перераспределяют воздух в помещении. [c.124] На рис. 6.16 показаны распределения скорости в коленах типичной формы. Заметим, что в обычном колене поворотные лопатки не только значительно улучшают распределение скорости, но, как видно из рис. 6.16, снижают также потери давления. В некоторых установках эффективны лопатки с профилем крыла, Б большинстве случаев образованном элементами дуг окружностей. [c.125] Использование экранов. Чтобы исправить неравномерное распределение скорости имеющее место непосредственно после внезапного расширения канала или после-поворота потока в колене, необходим достаточно длинный участок канала с прямыми стенками. Для достижения желаемого эффекта требуется канал длиной по меньшей мере в 10 диаметров, что не всегда приемлемо по соображениям экономии места. Гораздо более компактным устройством для выравнивания профиля скорости является набор экранов в виде плетеных проволочных сеток, решеток из стержней или перфорированных пластин. [c.126] Вернуться к основной статье