Оглавление:
Перенос тепла в газах при высоких скоростях
- Теплопередача в условиях повышенной температуры за счет внутреннего трения имеет важное значение, что представляет особый интерес применительно к рассматриваемой проблеме Аэродинамический нагрев высокоскоростных самолетов и ракет. Тепловыделение в пограничном слое, окружающем поверхность•при высоких сверхзвуковых скоростях Движущееся тело создает очень высокую temperature. In в связи с этим значение порядка 5000°С составляет mentioned. As в результате этого, разработка такой первостепенной задачи.
Самолет и ракета правильный материальный выбор и поверхностное охлаждение method. As за основу для этого нужно знать теплообмен от пограничного слоя к поверхности Мобильный. Поэтому в последние годы была проделана большая работа по получению этой необходимой информации, основанной на анализах и экспериментах (l. 143). Что касается турбулентного пограничного слоя, то последние знания в этой области практически полностью основаны на результатах анализа. Полностью зависит от эксперимента (л. 144]. Анализ ламинарного теплообмена в ожидаемых условиях при аэродинамическом нагреве.
Термодинамика вопрос о природе внутренней энергии не рассматривает и энергетические превращения (подчас весьма сложные), происходящие внутри системы на микроуровне, не детализирует. Людмила Фирмаль
При скорости рассматриваемого полета (10 чисел Маха и более) очень большие изменения температуры проходят через весь пограничный слой. Поэтому все свойства Среда, включая теплоемкость и количество растительных элементов, должна рассматриваться как переменная. Это не только увеличивает количество параметров в задаче, но и позволяет принимать решения. Уравнение пограничного слоя со многими неизвестными очень difficult. In кроме того, воздух в пограничном слое часто диссоциируется и даже ионизируется. Возникать. Вопрос в том, как быстро такой процесс может достичь равновесия. Удовлетворительного ответа на этот вопрос до сих пор нет.
Наконец, когда тело летит на большой высоте、 Плотность воздуха часто бывает очень низкой, нельзя рассматривать воздух как континуум, и исследование теплообмена следует проводить на молекулярной основе. Некоторые материалы по Поднятые вопросы обсуждаются в разделе 9-1 с использованием размерного анализа и разделе 10-3, где рассматривается теплопередача газов низкой плотности. Более подробное обсуждение выходит за рамки этой книги[l. 145]. В следующих пунктах рассматриваются основные вопросы быстрого потока газа, такие, как различия Измерение параметров состояния между статическим и общим состояниями. Информация о температуре восстановления, полученная неотапливаемой плоской пластиной и цилиндром.
Показана зависимость, которая может быть рассчитана для быстрого течения газа и теплопередачи плоской пластины в потоке с одинаковой скоростью. Ламинарные и турбулентные пограничные слои с достаточной точностью для целей проектирования. Состояние газового потока определяется скоростью и 2 параметрами состояния. Более легкий Осталось только измерить давление и temperature. In в этом случае необходимо различать 2 states. In в первом случае давление и температура измеряются устройством, которое перемещается вместе с газом. Это состояние называется статическим и определяется статическим давлением p₈ₜ и статической температурой. Важность статических состояний、 Если, за исключением крайних случаев, наблюдатель движется вдоль потока, то газ на небольшой площади ведет себя так же, как и в стационарном и равновесном состоянии.
Вот что это значит. Например, плотность в потоке может быть вычислена из уравнения состояния с использованием статического давления и температуры. Вязкость, теплоемкость, теплопроводность А также функция статического давления и температуры. Статическое давление может быть измерено через небольшое отверстие в стене параллельно направлению потока. Измерение Статическая температура-более сложная задача. В настоящее время не существует простого инструмента для измерения этой суммы[l. 146]. Возникает другое состояние газового потока Изоэнтропийная скорость падает до нуля.
Это состояние называется подавлением (общее состояние). Это определяется общим давлением rt и общей температурой tm. Много. Давление измеряется на дозвуковой скорости с помощью Пито tube. At сверхзвуковые скорости, трубка Пито показывает заниженное давление. Ударная волна, и переход кинетической энергии ударной волны к давлению не является энтропией. Однако, в случае статического, полное давление можно легко высчитать Давление и давление измеряются в трубке Пито. Есть приборы, которые могут измерить среднюю температуру тормоза и будут рассмотрены в ближайшее время. Важность Часть исследования подавления заключается в том, что общее давление и температура тормоза могут быть измерены немедленно.
Эти измерения и измерения Статическое давление также косвенно определяет статическую температуру и статическое состояние. Для идеального газа с постоянной теплоемкостью абсолютный статический Температура tₛₜ может быть рассчитана из соотношения, эффективного для изоэнтропийного процесса. T ^ / Тт ^ РМ / РТР — 1 ^ * для газов с различной теплоемкостью, тₛₜ Сразу же с помощью таблицы, составленной для измерений газа{l. [147] pt, pt и tt, можно определить скорость v в точке, где было проведено измерение. Значение РТ tt определяет энтальпию it, p&i и tₛₜ определяют энтальпию iₛₜ. Энтальпия i», например «может быть получена из газовой таблицы».
Замедление изоляции жары к Для нулевой скорости, следовательно, изоэнтропийной, она может быть записана в Формуле (10-9). ’7 мы можем вычислить скорость v из этого уравнения. Если разница между tm и tn достаточно мала, так что изменение теплоемкости можно игнорировать, то формулу (10-10) можно записать так: Л — ^ = 277 — (1⁰’1 ） В этом уравнении статическая температура есть статическое давление, и если вы решите его в сравнении со скоростью, то получите известные формулы Барре де Сен-Венана и Венцеля. Отношение изобарной теплоемкости к изобарной теплоемкости. R — газовая постоянная.
Разница между общим давлением и статическим давлением называется динамическим. Давление. Аналогично разницу между температурой торможения и статической температурой можно назвать динамической температурой: для среднетемпературного воздуха Теплоемкость£p = 0, 24 ккал! Кг-град = 102, 5 кг а) динамические температуры кг-града и градуса с равны, когда скорость v (10-12) выражается в метрах / sec. So. .Поскольку формула (10-10) была выведена на основе первого закона термодинамики, она справедлива не только в случае изоэнтропийного изменения скорости, но и в этих случаях .
Когда нет притока или оттока тепла, а скорость падает до нуля без применения внешних work .In в приповерхностном пограничном слое действие замедляется Трение и кинетическая энергия преобразуются в тепло .Однако этот процесс связан с работой различных слоев теплообмена и газа, даже если он твердый Поверхность не обменивается теплом с очищающим газом .»Следовательно, температура газового слоя на поверхности твердого тела при нулевой скорости、 Или ниже, чем температура замедления потока .’Если твердая поверхность не охлаждается, например, не нагревается тепловыми лучами, например, путем отвода тепла от поверхности внутрь В случае твердых тел, стенки будут иметь ту же температуру, что и газ .
Температура, при которой неотапливаемая стена, промытая газом, приобретает название температуры Разница между восстановлением стенки Tg и статической температурой Tₛᵢ этой температуры и газа обозначается символом or .Безразмерный коэффициент редукции g определяется по формуле Tr-Tₛₜ = R^ .(10-13) Полхаузен рассчитал коэффициент g в случае вертикальной промывки Пластина, ГАЗ которой перемещается в вертикальной ламинарной области с определенными характеристиками .Результат для числа прандлей 0, 5-10 может быть выражен в формуле r = / / ’ Pr .
Большой Во многих работах расчеты были распространены на Газы с различными свойствами .Зависимость r = Urg показала, что результаты этих расчетов точно описаны для них .В этом случае перепад температур Tg-Tₛt сможет игнорировать изменение теплоемкости в этом диапазоне температур .Для очень больших сверхзвуковых скоростей, где По мере увеличения изменения теплоемкости следующие расчеты обеспечивают очень хорошее соответствие для решения уравнения пограничного слоя .Коэффициент восстановления энтальпии определяется по формуле (10-14) .Этот коэффициент рассчитывается по формуле R = / пр .Число Прандтля впервые вводится в это соотношение .
Энтальпия+ 0, 72 o; — iₛ) .пока теплоемкость считается постоянной, нет разницы между температурой и коэффициентом восстановления энтальпии .Рассчитанный таким образом коэффициент восстановления также хорошо согласуется с измеренным значением .Для среднего ламинарного воздушного потока Температура, фактор спасения 0 .84 .In турбулентное течение пограничного слоя воздуха на плоской пластине, величина которого составила 0, 88 measured .In область перехода между В ламинарных и турбулентных пограничных слоях коэффициент восстановления увеличивается от 0, 84 до пика, а затем уменьшается до значения турбулентности 0, 88 (рис .10-2) .
Интересным является результат измерения цилиндра в дозвуковом воздушном потоке перпендикулярно оси[L .148] .для исключения, цилиндр был изготовлен из резины Единообразие температуры должное к термальному conductivity .To для расчета локального коэффициента восстановления использовалась формула (10-13) .Измеренные температура поверхности, скорость и статическая температура потока были заменены .Результат расчета показан на рисунке .10-3 .As вы можете видеть, сумма Коэффициент восстановления в точке 1 означает, что температура поверхности равна температуре в потоке .Низкое спасение вдоль дна Поток становится больше на поверхности .В течение определенного периода времени коэффициент восстановления будет равномерным (рис .10-2) .
- Ламинарные, переходные и турбулентные коэффициенты .Восстановление температуры воздуха g (измерение на конусе при M = 3, 12) .а-высокая турбулентность потока; Б-низкая турбулентность потока (cf1%) (L .361] .Отрицательный; Это означает, что температура поверхности ниже, чем статическая температура в верхней части потока .Райан . 149]подтвердил это наблюдение и Ак-Керет показал, что оно близко Из-за периодического распространения вихрей, связанных с потоком separation .In сверхзвуковое течение в определенной области отрывного потока низких температур не наблюдалось .
Другой тип потока, который приводит к областям с более низкой температурой торможения, является вихрем .Ранг использует этот эффект для определения расхода газа Высокое содержание энергии (высокие температуры) и низкоэнергетической области .На рис . 10 .4 показана такая вихревая труба, спроектированная Hielsh .So .. Он также называется hirsch tube. It состоит из трубки, в которой воздух (или другой газ) вдувается в касательном направлении от 1 или более сопел. Очень сильный вихрь. Поток. Часть потока выходит из трубки через отверстие b, а оставшийся поток выходит из трубки через дистальный конец c.
Последний тип получения тепловой и электроэнергии является основой теплофикации, и характеризуется как совершенный метод производства энергии. Людмила Фирмаль
Клапаны в этом месте расположены 2. Отрегулируйте интенсивность воздушного потока. Было установлено, что средняя температура воздуха, выходящего из трубы через b-образное отверстие, значительно ниже (при входном давлении 2, 8 кг / см2, при 38°С). Чем температура воздуха в верхней части потока входного сопла. Температура воздуха, выходящего из трубы, составляет соответственно С. Распылите гель. 150]обнаружили существование Различные типы потоков приводят к мощному эффекту разделения энергетических потоков, и Воннегут [l. 161] разработал термометр, измеряющий статическую температуру Высокоскоростной поток газа.
В основном он состоит из вихревой трубки с соответствующим отверстием (зазором) и термометра, расположенного в низкоэнергетическом воздухе на оси. The pipe. It удобно измерять температуру при движении газа с помощью двойного термометра[l. 152] (рис. 10-5) и диффузорного термометра[l. 153] (рис. 10-6). Цилиндрическая форма Как термометр, 10-3 в трубке. Распределение давления и коэффициент восстановления температуры g нормального высокоскоростного дозвукового потока Круглый цилиндр.
А-угловое расстояние от линии застоя. Rt-температура и давление тормоза в верхней части потока. Т$о, р₀—верхняя статическая температура и давление П Г₅-статическое давление и температура вне пограничного слоя. Tg-температура восстановления[l. 362). Высокая скорость прибора: цилиндр и измеряя поверхность Температура цилиндра при продольном движении газа. Поскольку толщина пограничного слоя мала по сравнению с диаметром цилиндра, можно применить значение g к плоской пластине (Рис. 10-4. Эскиз вихревой трубы (hielsh tube). (См. Рис. 10-2), статическая температура при известной скорости должна рассчитываться по формуле (10-13). Диффузор термометр (Рис. 10-6) измерьте температуру тормоза. А-тонкостенная трубка; Б — медная пластина; с термопарой. −1 1 ′ ■-1 — Я-_________1 я-л рис. 10-5.
Цилиндрический термометр[л. 363]. F v газ поступает через отверстие и тормозит трубу. Температура газа Измерьте с помощью термопары. C. Утечки газа от малого opening. In при отсутствии этих отверстий газ в устройстве охлаждается и отображается термопара Не та температура. Каждый термометр имеет свою собственную область применения. Преимущество диффузорного термометра заключается в том, что он мгновенно измеряет температуру Тормозной. С другой стороны, цилиндрический термометр может быть очень маленьким, что очень быстро обнаруживает изменения температуры газа. Как? Только температура поверхности тела отклоняется от температуры теплоизоляции между телом и корпусом. 10-6.
Диффузорный термометр[l. 364 [. Рис. 10-7. Кривая распределения Температура ламинарного пограничного слоя на пластине нагревается или охлаждается при высоких скоростях газа. Gu-температура тормоза; g-статическая температура. ух. .— Расстояние от стены .Поток газа начинает передавать тепло .На рис .10-7 показана кривая распределения температуры пограничного слоя по отношению к теплопередаче между стенками .Горизонтальный тангенс кривой а указывает на отсутствие теплообмена между стенкой и газом .Статическая температура при внешнем течении пограничного слоя Величина 7 поднимается в пределах пограничного слоя, достигая температуры восстановления Tg стенок поверхности тела .Если температура стены низкая, то тепловой поток Он направляется к стене .
Это справедливо для температурного профиля, который находится ниже кривой а на рисунке .10-7 .Когда температура поверхности тела выше, чем температура Во время рекуперации тепловой змеевик направляется в противоположную сторону, то есть от стенки к газу .Пунктирная кривая показывает температурный профиль застоя пограничного слоя корпуса Жара не входит в wall .It получается, что температура торможения на определенном расстоянии от стенки ниже, чем у потока за пределами пограничного слоя .Он расположен более далеко от поверхности и имеет более высокую температуру, чем сыпучий .Поэтому высокоскоростной пограничный слой делит воздух на низкоэнергетические части.
Высокая энергия и вихревой ток в трубке Хирша .So .однако разница в скорости намного больше в вихревом потоке .Теплопередача Для расчета скоростного расхода газа целесообразно[L .154]использовать коэффициент теплопередачи, связанный с энтальпией по формуле-а (s-15), где qw — Тепловой поток к стенке за единицу времени и единицу площади; iᵣ-энтальпия восстановления; iw-энтальпия газа при температуре стенки .Рассчитанная энтальпия восстановления По формуле (10-14) .Однако при начальной энтальпии значение вводится в Формулу (10-7) или (10-8) .Это получается из соотношения=iₛ+ 0 .5 (iw-iₜ) + 0 .22 (/, — I.) .(10-16）.
Например, в двумерном ламинарном потоке с постоянным давлением и температурой вдоль поверхности локальный коэффициент теплопередачи рассчитывается как число Стантонов (10-17) и Формула (7-14) ; действительно, в случае медленного течения St ’ =в формулах (10-17) и (10-18) все характеристики вводятся в начальную начальную энтальпию, которая получается из Формулы: Отношения (10-16) .Коэффициент трения локального потока определяется для ламинарного потока из соотношения, определенного для медленного потока: (10-19) локальный Коэффициент трения турбулентности на плоской пластине получен из решения Блазиуса . f _ 0 .0296 (Re / — для чисел Рейнольдса больше 2 и 10⁷-из соотношения ts-Grunov： _ 0 .370 (logRe / — ⁵⁸⁴ * (10-20) Shul — (10-21) тогда локальный коэффициент теплопередачи может быть получен из соотношения .
Все свойства изначально вводятся в эти выражения .Энтальпия определяется по формуле (10-16) .было установлено, что вышеизложенное объясняет .Не только это, но и изменение характеристик из-за температуры происходит именно в широком диапазоне、 Не только более 4%, но и диссоциация воздуха при высоких температурах становится заметной .Так как температура очень низкая, то теплоемкость можно считать Теплопередача, рассчитанная по постоянной температуре, будет иметь тот же результат, что и вычисленная по enthalpy .It была изложена [L .155]формула (10-15) и (10-16） при неприводимой зависимости h = cPihi (9-33), при постоянном значении G, теплообмен устанавливается в критической точке круглого тела сверхзвукового течения .
В Формуле (9-32) заменяется 0 .8 (Ma) ⁰ — 32 ( .Ma-число Маха в верхней части потока) .Рисунок 10-8 сравнивает результат со значением, вычисленным по предыдущей формуле Эксперименты с ракетами V-2, проведенные Фишером и Норрисом[L . A .156] .Измерения проводились в различных точках конуса ракеты head .In график, результаты эксперимента Для этого к нему прикрепляется специальный символ .В нижней строке показана величина теплопередачи, рассчитанная по медленному и ламинарному пограничному слою formula .In в случае с кукурузой, эти .
Это значение в 3/3 раза больше, чем в случае плоской плиты, поэтому при перемещении конуса сверху вниз поверхность увеличивается .Поэтому пограничный слой растет не так быстро (§ 9-3) .Верхняя линия показывает теплообмен турбулентного пограничного слоя, рассчитанный по медленной формуле .Рисунок 10-8 .Сравнение с расчетными значениями Измерение коэффициента теплоотдачи при высокой скорости движения среды [L .[365] .Как видно из графика, экспериментальные данные имеют меньшие значения критерия Рейнольдса При увеличении критерия Рейнольдса он начинает группироваться вокруг линии турбулентного пограничного слоя .Здесь .
Переход, очевидно, будет зависеть от критерия Рейнольдса, а скорее от некоторых других характерных величин .Пример 10-1 длина 101, 6 мм пластина x подвешена в потоке воздуха、 «л-178 м !sec температура плиты / W = 91°C; Температура воздуха / I = 26, 1°C; давление воздуха I кг !см * .необходимо рассчитать теплопередачу от плиты В воздухе .Прежде всего, необходимо определить температуру восстановления поверхности пластины в потоке воздуха .Можно ввести значения свойств при температуре (и, + ^) / 2 .Критерии Рейнольдса 179-0, 1016 кеж-в-1, 96-10- ⁵ — ⁹»3, 1⁰ * 10-2 из графика диаграммы: g = 0 .845 . (10-13) 、 、 1792’g = 26 .1₊ 0 .845279 ^ 710275 =⁴1 * 1℃ .Это температура пластины, если она не нагревается .Коэффициент теплопередачи можно рассчитать по формуле (10-16), используя значение расхода воздуха .
Получено из таблицы газа Кинана и Кея (L .157]: i* = 128 .7 −4-0 .5（156 .9-128 .7）4- 0 .22（134 .6-128 .7）= = 128 .7 4-14 .1 4-13 = 144 .1、61 .5 температура соответствуя °C далее, из формул (10-17) и (10-18), локальный коэффициент теплопередачи равен а .= 350 ккал !Мг-х-град .Среднее значение коэффициента » а / = 1, 25 ^ = 437 ккал} м * — ч-град .Средний тепловой поток по формуле на единицу площади (10-15) равен: qw =-22, 300 ккал /м2 .
Смотрите также:
| Шары и насадки | Перенос тепла в разреженных газах |
| Теплообмен при больших скоростях | Перенос тепла в жидких металлах |
