Файл: Смольский Б.М. Нестационарный теплообмен.pdf

струе высокотемпературного газа. Скорости изменения температуры стенки достигали 2000 °С/сек.

Использованные в опытах образцы представляли со­ бой медные цилиндры диаметром 10 мм, разной длины, теплоизолированные со стороны боковой поверхности

(рис. 13).

Образцы нагревались в струе газа, направленной перпендикулярно поверхности плоского торца. Скорость

Рис. 13. Схема образца и расположение его в потоке

нагрева измерялась хромель-алюмелевымн термопарами с записью показаний на шлейфовом осциллографе. Для получения струи азотной плазмы использовался элек­ тродуговой нагреватель газа [112].

Одна группа образцов нагревалась на стационарном режиме, который характеризовался следующими пара­ метрами: мощность, выделенная в дуге, 80 кет, расход газа 2 г!сек, диаметр выходного сечения сопла 15 мм, расстояние от него до образца 25 мм. Указанные пара­ метры соответствуют энтальпии потока газа, воздейст­ вующего па образец, 14500 кдж/кг (7’=6300°К) и дав­ лению торможения 1 атм. Другая группа образцов на­ гревалась на переменном режиме, представляющем собой два стационарных режима со ступенчатым пере­ ходом между ними.

Мощность в дуге на обоих режимах составляла 133 кет (±5% ), диаметр выходного сечения сопла 15 мм, расстояние от него до образца 70 мм. В этом случае ис­ пользовались образцы длиной 15 и 40 мм. Применение образцов разной длины позволяло получать различные скорости нагрева. Переход от одного режима к другому осуществлялся изменением расхода газа от 2 до 4 гісек. Давление торможения при этом практически оставалось

74

постоянным, равным 1 ат'м, энтальпия газа, воздейст­ вующего на образец, изменялась от 5000 до 6100 кдж/кг.

Примеры полученных осциллограмм приведены па рис. 14. Можно отметить наличие линейных участков па температурных кривых на каждом стационарном режи-

Рис. 14. Зависимость температуры образцов t, СС, от времени т, сек, для сечения х=0: а, б — осциллограммы нагрева образцов в струе высокотемпературного газа: 1 — падение напряжения па электродах

(U= 0); 2 — U; 3 — t(xг=35 мм)- 4 — /; 5 — / = 0; 6 — расход нагре­ ваемого газа G; 7 — (J=0; в — усредненные зависимости температу­ ры образцов от времени: 1 — I—2,5 мм-, 2 — 5; 3 — ГО; 4 — 25; 5, 6 — границы линейных участков

75

ме. В случае стационарного режима работы установки получены скорости нагрева образцов, определенных на линейных участках, от 175 до 2140°С/се/с при изменении размера медного образца от 25 до 2,5 мм соответственно. При ступенчатом режиме работы установки скорости на­ грева образцов лежали в пределах от 30 до 120 °С/сек.

Отличие интенсивности нестационарного теплообмена от интенсивности теплообмена в соответствующих ста­ ционарных условиях может возникнуть в рассматривае­ мом случае вследствие изменения температуры стенки с большой скоростью. Физически нестационарность про­ цесса связана с нестационарной теплопроводностью по­ граничного слоя II образца.

Полученные экспериментальные данные позволяют оценить указанный эффект в случае взаимодействия по­ тока высокотемпературного газа с твердым телом в об­ ласти точки торможения.

.В соответствии с результатами анализа решения од­ номерного уравнения теплопроводности при граничных условиях 2-го рода наличие линейных участков на изме­ ренных кривых нагрева образцов при Foe>0,5 свидетель­ ствует о постоянстве во времени интенсивности теплооб­ мена. Этот вывод подтверждается результатами опре­ деления изменения тепловых потоков во времени с помощью метода последовательных интервалов (рис. 15, а). Сравнение измеренных тепловых потоков (с по­

изменению скорости роста температуры поверхности от 175 до 2140 °С/сек, показало (рис. 15, б), что величина теплового потока не зависит в данном случае от скоро­ сти изменения температуры поверхности.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что при обтекании осесимметричного тела высокотемператур­ ным потоком газа в области точки торможения при Fo6> >0,5 не наблюдается изменений интенсивности тепло­ обмена в зависимости от скорости изменения темпера­ туры поверхности и времени. Результаты измерения теп­ ловых потоков в таких условиях стационарным методом (методом охлаждаемого калориметра) п сравнение полученных величин с тепловыми потоками, изме­ ренными нестационарными методами (при различных

76

скоростях нагрева), свидетельствуют о том, что в дан­ ном случае интенсивность теплообмена в нестационар­ ных условиях не отличается от интенсивности стацио­ нарного теплообмена.

Сделанные выводы подтверждаются измерениями тепловых потоков при ступенчатом изменении парамет-

ров струн газа. Величины тепловых потоков, измеренные в стационарном режиме работы установки и сразу после ступенчатого изменения режима работы установки до тех же значений параметров струи, что и в первом слу­ чае, оказались одинаковыми (рис.. 15, в).

77

Приведенные результаты можно объяснить, рассмот­ рев формулу для стационарного теплового потока, по­ лученную численным решением уравнений пограничного слоя [113] и проверенную экспериментально для диапа­ зона параметров потока газа, охватывающего условия наших опытов. Решение Фея и Ридделла имеет вид

(3.5)

Расчет тепловых потоков с помощью формулы (3.5) для азота при значениях температуры стенки /Ст=100и

1000°С и давлении торможения 1 атм дает величины теп­ ловых потоков, отличающиеся не более чем на 7—8% при одинаковых значениях энтальпии торможения [ИЗ]. Следовательно, можно ожидать, что и изменение темпе­ ратуры стенки в процессе теплообмена по крайней мере

газа при температуре стенки hст составляет незначитель­ ную часть от энтальпии газа на внешней границе пограНИЧНОГО СЛОЯ hoe.

Таким образом, процесс нагрева твердого тела в об­ ласти точки торможения потоком высокотемпературного газа (при температуре газа 4000°К и выше) при Foö> >0,5, несмотря на большую скорость изменения темпе­ ратуры поверхности, достигавшую 2000 ° С/сек, является квазистационарным и может быть рассчитан с помощью зависимостей, полученных для стационарного "случая. Этот результат подтверждает приведенное в начале раз­ дела утверждение, что возникновение нестационарного режима теплообмена определяется не одним каким-либо параметром, а комплексом параметров, в который вхо­ дят свойства тела и потока жидкости.

При обработке экспериментальных данных по тепло­ обмену вырезки из плоскопараллельной пластины с по­ током жидкости, приведенных в данно'й главе, использо­ вался, в частности, метод последовательных интервалов [24]. По этому методу определялись изменяющиеся во времени тепловые потоки и коэффициенты теплообмена

78

для тонкостенных образцов. Полученные результаты сравнивались с величинами тепловых потоков и коэффи­ циентов теплообмена, подсчитанных по экспоненциально­ му методу. Такое сравнение выполнено как при нагреве образцов в воде, так и в струе высокотемпературного газа.

Можно показать в общем виде, что при условии q =

—const формула для расчета теплового потока по методу последовательных интервалов

не отличается от формулы для расчета теплового потока с помощью экспоненциального метода

-+ x2/262)j .

Если принять, что <7= const, отрезки времени, на ко­ торые разбивается процесс, одинаковы и /о= 0 (для упрощения), то

Полученное выражение (3.8) представляет собой линей­ ную зависимость температуры от времени-. Взяв произ­ водную от температуры по времени, получим приведен­ ное выше выражение для теплового потока (3.7).

79