Особенности движения и теплообмена в трубах и каналах

 

На поверхности трубы, через которую течет жидкость, образуется динамический пограничный слой, который может иметь ламинарный или турбулентный характер.

На некотором расстоянии от входа пограничные слои смыкаются, и после этого в поперечном сечении устанавливается стабильное распределение скоростей, которое при ламинарном потоке имеет параболический характер, а при турбулентном степенной (с показателем степени, зависящем от числа Re).

Расстояние от входа в трубу или канал до сечения, в котором динамические пограничные слои смыкаются, называется гидродинамическим начальным участком, или участком гидродинамической стабилизации.

Аналогично развивается и тепловой пограничный слой. Участок от начала трубы до смыкания тепловых пограничных слоев называется тепловым начальным участком.

Режим течения жидкости в трубе зависит от значения числа Рейнольдса:

                                         ,

где  - средняя по сечению трубы скорость жидкости; d - диаметр трубы.

Среднюю по сечению трубы скорость жидкости можно выразить через известный массовый расход теплоносителя:

                                     .                                             

Тогда:

                                          .                                                 

При Re<2×10³ наблюдается ламинарное течение жидкости. Однако при большом температурном напоре в поперечном сечении ламинарного потока может возникнуть свободное движение, обусловленное гравитационными силами. Поэтому среди неизотермических ламинарных потоков различают вязкостный и вязкостно-гравитационный режимы течения. В первом случае силы вязкости превалируют над силами гравитации и свободное движение не возникает. Во втором случае движение жидкости в трубе только условно можно назвать ламинарным.

При Re>10⁴ поток становится турбулентным, но в начале трубы по-прежнему сохраняется участок с ламинарным пограничным слоем.

При Re>5×10⁴ турбулентный пограничный слой начинает формироваться практически от начала трубы.

При 2×10³<Re<10⁴ наблюдается переходный режим течения и теплообмена.

Изменение толщины и структуры пограничного слоя определяет изменение коэффициента теплоотдачи по длине трубы.

На рисунке показано изменение местного и среднего коэффициентов теплоотдачи для трубы с одинаковой по всей длине структурой пограничного слоя и для трубы, в начале которой наблюдается ламинарный пограничный слой, переходящий затем в турбулентный.

Для турбулентного течения длина теплового начального участка, на котором изменяется местный коэффициент теплоотдачи, составляет 10d–15d средний коэффициент теплоотдачи изменяется на длине 50d.