Оглавление:
Теплоотдача при больших скоростях
- Интенсивное изучение процесса теплопередачи при обтекании объекта газом с высокой скоростью связано в основном с развитием авиационной и ракетной техники. При проектировании скоростных самолетов возникают 2 основные проблемы.1-й-определение поверхностного трения. 2-й-это определение температуры кожи.
Поскольку сопротивление трению составляет значительную часть общего сопротивления самолета, неправильный расчет сопротивления трению может привести к значительным погрешностям в дальности полета. Температура оболочки является решающим фактором при проектировании высокоскоростных самолетов. Обе проблемы связаны с наличием пограничного слоя на внешней поверхности летательного аппарата.
Они записываются в виде какого-либо из термодинамических потенциалов в своих естественных переменных, то есть в таких переменных, в которых полный дифференциал соответствующей термодинамической функции имеет наиболее простой вид. Людмила Фирмаль
Этот пограничный слой становится турбулентным в ламинарном потоке. В этой главе кратко описываются обе эти проблемы для ламинарных и турбулентных пограничных слоев. При движении объектов с высокой скоростью в неподвижном газе или когда газ обтекает неподвижный объект с высокой скоростью, процесс теплопередачи очень сложен по сравнению с аналогичными процессами на средней скорости.
В этих условиях градиент скорости через пограничный слой становится очень большим, и появляется большая сила трения. Действие силы трения переносится на тепло, и пограничный слой можно рассматривать как небольшую пространственную область, где тепло выделяется за счет диссипации энергии. Тепловой поток, вызванный действием сил трения, может достигать очень больших значений.
Например, при взаимодействии с воздухом при возвращении на спутник тепловой поток к их внешней поверхности настолько велик, что без специальной теплозащиты на спутнике может привести к разрушению. Если объект взаимодействует с быстрым потоком, то плотность газа p уже не считается постоянной величиной, как это было сделано при исследовании потока со средней скоростью.
Способность газа изменять плотность при изменении давления называется скоростью сжимаемости. Шкала степени сжатия представляет собой отношение динамической головки к модулю E. физический смысл модуля E можно наиболее четко выразить, рассмотрев следующие соотношения: Где Др-приращение давления; Dr-увеличение плотности; Р-начальное давление(до изменения давления). Откуда? £= Р — Ар.
Или более строго* — −1 Значение — (XI-1） скорость распространения s выражается как y-A. предполагая, что процесс распространения звука происходит адиабатически и дифференцирует адиабатическое уравнение、 от ДП-1П Р=СрК, — Кер-к— DPP С учетом полученных соотношений формула (XI-1)принимает вид: а = вк — ^ — = в КРТ. (Си-2） Формула (XI-2) справедлива для идеальных газов. Теперь масштаб степени сжатия можно выразить в виде: П ^ / 2 ^ ПК ^ а / 2 ^ шавка₌1 Epa32a32. (СИ-3） Где m =-называется числом Маха.
При M1 поток называется дозвуковым, а при M> 1-самым качественным. Тепловой пограничный слой Высокая скорость газа вдоль твердого тела(M > 1) приводит к образованию гидродинамического и термического пограничного слоя на поверхности. В этих условиях оба слоя влияют друг на друга. В результате действия трения и сжатия температура газа, обтекающего тело, резко повышается, что вызывает резкое изменение плотности и вязкости газа, что влияет на интенсивность теплообмена.
Рассмотрим высокоскоростной поток газа вдоль изоляционной пластины. Когда сверхзвуковой поток газа обтекает объект, поверхностная скорость равна нулю. Из термодинамики известно, что при адиабатическом замедлении потока идеального газа его кинетическая энергия преобразуется в тепло, в результате чего температура газа повышается. Если адиабатически сдерживаемый поток взаимодействует с адиабатическими пластинами, то адиабатические пластины, в зависимости от динамики газа .
- Параметры и физические свойства газового потока В установившемся состоянии это будет постоянная температура Tₐw. Ниже приведена формула для определения температуры Go и Tₐw. Температура t0 дросселированного потока, или температура торможения, называется температурой, которую имеет газ, когда он полностью изолирован тормозом. Например, когда он протекает в твердое тело, передача тепла между подавленным газом и твердым телом не происходит, когда поток равен нулю.
Когда плоский поток течет по Клину с идеально разделенной (теплопередающей) поверхностью в критической (бифуркационной) точке, создается температура торможения. Для определения температуры торможения плоского потока используют формулу термодинамики(13 (Си-4） Где oo-температура торможения потока без возмущений. Tj-термодинамическая температура потока, который не возмущен. Wₓₒₒ-скорость потока без возмущений.
Канонические уравнения состояния были введены в термодинамику Гиббсом. Людмила Фирмаль
Термодинамическая температура потока-это температура, указанная термометром, который движется вместе с потоком и имеет одинаковую скорость. Температура адиабатической стенки TWWₜ или температура восстановления Tg — это температура идеально изолированной нерадиоактивной поверхности твердого тела, рационализированная потоком жидкости с выделением тепла от внутренних источников тепла или рассеиванием энергии(74).в случае газа Pr 1 было установлено, что температура адиабатической стенки Tₐ Lu ниже температуры застоя T.
На рисунке XI-1 показано распределение температуры теплового пограничного слоя Когда тело взаимодействует со сверхзвуковым потоком газа, перед ним возникает головная ударная волна. it. As ударная волна проходит через поверхность, происходит резкое изменение параметров газовой динамики. Это явление рассматривается в главе 9. Xi. Изоляционные плиты. Безразмерное число, определяемое тождеством (Си-5） Коэффициенты называются .
Рисунок XI-1.Распределение температуры теплового пограничного слоя (толщина а) сжимаемой жидкости в продольном потоке высокоскоростного газового потока вокруг теплоизоляционной плиты Восстановление. Тепловой поток в твердое тело, очищенное высокоскоростным газом, определяется по формуле: Кя ^ а (ТП -₀ — ТВТ). (Си-6） Рисунок XI-2.Распределение температур термодинамических и застойных точек в области стенки при продольном обтекании адиабатической пластины быстрым потоком сжимаемой жидкости .
Коэффициент восстановления r (XI-5)является функцией числа Прандтля, а для ламинарного пограничного слоя уравнение Р = / РГ (Си-7） Числа Прандтля варьируются от 0,5 до 5. В случае турбулентного пограничного слоя (Х1-8） Если объект в потоке газа не изолирован, то температура стенки может принимать любое значение в зависимости от направления теплового потока в твердом теле. Например, в случае отвода тепла от поверхности корпуса во внутреннюю часть корпуса температура поверхности Tw может быть ниже температуры теплоизоляционной стенки T X W. если тепло подается на ее поверхность изнутри корпуса, то температура Нефть. T » может быть больше, чем температура теплоизоляции стены Ta₁O.
Представьте себе уравнения различных форм(X1-5). (X1-2) и более А2= КРТ、 Откуда? Т » = А.(ХІ-9） К/? Из уравнения Мейера[13, 17] СF — = Р、 к =При рассмотрении cjcᵥ、 — =(Хью） Вода КР Подставим значение Tl из (XI-9) в (X1-4) и, учитывая последнее соотношение, получим зависимость температуры тормоза от числа Маха. Это важно для дальнейших исследований. А. «, = Т » О(1 + ^ — м ^.(Си-И1） Если сравнить (XI-5) и(XI-11), то получим формулу температуры восстановления в виде: (Си-И2） При расчете также используется температура торможения пограничного слоя. Это, как и (XI-4), может быть выражено как: +(Х1-И3）.
Где T-термодинамическая температура газа в пограничном слое. Иногда мы используем понятие снижения температуры в пограничном слое. Это похоже на (XI-4)、 Tᵣ= т + р—(Си-14） 2 воды На рис. XI-2 показано распределение термодинамических и температур точек застоя вблизи стенок изоляционной плиты. Уравнение энергии Для исследования теплообмена при взаимодействии твердых тел с быстрыми газовыми потоками рекомендуется использовать уравнение энергии (Р-51), в котором вместо внутренней энергии и (Du = cᵥDT) используется другая функция состояния-энтальпия H (Dh = = CpDT).
Вместо внутренней энергии мы вводим энтальпию h в уравнение энергии (P-51). по определению, данному в термодинамике, энтальпия равна Dh = Du + D Или cdtdt= ccDT + D ^ — y Откуда? cdtdt=CₚDT-D^. (ля） В уравнении энергии (P-51) подставьте значение из (a) вместо cᵥDT. После замены левая сторона (Р-51) имеет вид Куда? В правой части уравнения (Р-51) подставьте его значение вместо расхождения скоростей. д ’ жуза ДЗ 1 Dp P Dt (г） После этих подстановок, принимая во внимание (a), (6), © и (d), уравнение энергии принимает вид: Для стационарного плоского течения уравнение (XI-15) принимает вид: (СИ-16）
Смотрите также:
