Файл: Смольский Б.М. Нестационарный теплообмен.pdf

Для проверки метода последовательных' интервалов использовались установка и образцы, рассмотренные в гл. II. В опытах создавались условия одномерного на­ грева образцов и регистрировалась температура образ­ ца в некотором сечении во времени, что. необходимо для расчета теплового потока по формулам (3.6) и (3.7).

Для оценки влияния на результаты начального участ­ ка температурной кривой был рассчитан тепловой поток для идеализированного случая, когда температура явля­ ется линейной функцией времени во всем интервале на­

Расчет по формуле (3.9) показал, что метод последо­ вательных интервалов дает постоянное значение тепло­ вого потока, близкое к значению, рассчитанному по экс­ поненциальному методу (рис. 16). Нужно отметить, что расчет по методу последовательных интервалов дает зна­ чения тепловых потоков, колеблющиеся относительно среднего значения на величину до 15%.

Оба метода были использованы для расчета тепло­ вых потоков при нагреве в струе плазмы образцов дли­ ной 2,5; 5; 10 мм (рис. 16, 17). Расчетные формулы по методу последовательных интервалов имеют вид

Расхождение результатов определения тепловых по­ токов двумя методами не превышает 10%• Такая точ­ ность может быть принята для данных условий удовле­ творительной.

Проведенный анализ и результаты измерения пока­ зали, что метод последовательных интервалов применим для тонкостенных образцов, для которых критерий Ві мал. В таких случаях этот метод превращается в сущно­ сти в экспоненциальный. .

S0

Рис. 16. Сравнение методов определения тепловых потоков для слу­

6. Зак. 1284

Рассмотренные методы не позволяли определять теп­ ловые потоки при Fo6<0,5. Используя метод полуограннченного тела (гл. II), была исследована начальная стадия нагрева затупленного тела потоком высокотем­ пературного газа. Нагреву подвергались медные цилин­ дры диаметром 3 и 10 мм и длиной 6=15—100 мм. Для создания модели одномерного нагрева цилиндры со сто­ роны боковой поверхности защищались "Текстолитовыми

Рис. 18. Схемы датчиков

втулками со сферическим затуплением (і? =10 мм) в случае диаметра образца 3 мм и плоским при диаметре образца 10 мм (рис. 18, а). В образцах было зачекаиено по две термопары типа ХК с диаметром проводов 0,2 мм на расстоянии 5 мм и 6 от нагреваемого торца. Кроме того, в некоторых образцах были зачеканены -термопары на расстоянии 1 мм от нагреваемого торца, а также тер­ мопары с диаметром проводов 0,5 и 0,12 мм для провер­ ки показаний основных термопар. Для измерения теп­ ловых потоков экспоненциальным методом были исполь­ зованы датчики, подобные изображенным на рис. 18, б, с длиной цилиндров 5 мм и одной термопарой, зачекаиенной в задний торец.

Газ (азот), использованный для обдува образцов,

пропускался через электродуговой нагреватель; образуя на выходе струю плазмы.

Порядок проведения опытов был следующим. Обра­ зец устанавливался соосно с нагревателем на расстоянии 25 мм от сопла и закрывался заслонкой. Через 2—4 сек после включения нагревателя заслонка выдергивалась. Процесс нагрева регистрировался с помощью 9-шлейфо-

Рис. 19. Характеристики нагрева образцов: а — 1— х=1 мм; 2 — 5;

экспоненциальный метод; в—1 — .ѵ'= 5 мм; 2 — 6; г—/ — Дт=0,2 сек; 2 — 0,4 сек; 3 — экспоненциальный метод; в, г — d= 10 мм; 6= 50 мм

вого осциллографа (рис. 19, а, в). Заметное повышение температуры заднего торца при длине образца 30 мм начиналось после 0,5—0,8 сек нагрева, а для образцов длиной 50—100 мм —^после 2—3 сек. Применение тек­ столитовых втулок обеспечивало одномерность нагрева цилиндрических образцов в плазменной струе [95]. Таким образом, в течение промежутка времени от нача­ ла нагрева до указанных выше значений времени мед­

ные цилиндры представляли собой модели полуограниченного тела.

84

Измерения показали, что средние значения электри­ ческих параметров разряда, давления торможения в струе обычно достигают постоянных значении через со­ тые доли секунды. Время прогрева конструкции в данном случае не имеет значения, так как потери тепла в стенку

температуры стенки. При изменении температуры стенки

струп устанавливаются за промежуток времени, на 1—2 порядка меньший времени нагрева медных цилиндриче­ ских образцов.

Используя зависимости температуры образцов от времени, примеры которых приведены на рпс. 19, были рассчитаны тепловые потоки. Определяющая темпера­ тура для коэффициентов К и а меди в формулах (2.41) и

.(2.42) принята равной комнатной, когда рассматрива­ лась часть начального участка нагрева, и 150 °С для все­ го начального участка.

Расчеты показали, что минимальная величина шага разбиения процесса по времени при использовании рас­ сматриваемого метода ограничена. При значении AFo.v^0,5 в большинстве случаев формула (2.41) дает величины тепловых потоков с большим разбросом (рис. 19, г), который с ростом времени может уменьшаться. Если расстояние от нагреваемой поверхности достаточ­ но велико (в нашем случае при Л'>10 мм), то указанное ограничение заставляет делить процесс на большие ин­ тервалы во времени. Уменьшение л: до 1 мм приводит к увеличению погрешности за счет определения положения спая. Оптимальными при тепловых потоках порядка еди­ ниц киловатт на 1 см2 оказались л'= 2,5—'5 мм и Дт= = 0,1—0,4 сек.

Сравнивая рассматриваемый метод полуограничепного тела с методом последовательных интервалов, сле­ дует подчеркнуть, что используемое во втором методе условие AFo6>0,5 значительно больше ограничивает его возможности при расчете начального участка процесса нагрева из-за того, что в Foe входит величина толщины образца и в формулу (2.24) — расстояние от заднего торца.

85

Расчеты показали, что при изменении величины ин­ тервалов, на которые делится процесс нагрева (при AFon->0,5) (рис. 19, б, г), при использовании термопар разных диаметров и различных значениях расстояния от нагреваемого торца величины тепловых потоков согласу­ ются между собою.

Из приведенных результатов (рис. 19) следует общая закономерность: тепловой поток на поверхности в про­ цессе нагрева образца увеличивается, приближаясь к не­ которому постоянному значению. Величина установив­ шегося тепловогопотока, как показали измерения, с удовлетворительной точностью равна тепловому пото­ ку, измеренному экспоненциальным методом (рис. 19, б). Таким образом, при постоянных во времени параметрах

.х = 5 мм), средних значений теплофизических характери­ стик (определяющая температура равна 27 и 125 °С). Указанные изменения параметров, как показали расчеты, не привели к существенному изменению зависимости не­ стационарного потока от времени.

3. ТЕПЛООБМЕН ТЕЛ С ПОТОКОМ ЖИДКОСТИ

Обтекание вырезки из пластины потоком воды. Пер­ вым исследованием, где мысль о принципиальном отли­ чии нестационарного теплообмена от стационарного была подтверждена экспериментально, является работа [24].

Исследование было проведено в потоке воды. С этойцелью использовались термостат, а также установка, состоящая из термостата, насоса и трубы, образующих замкнутый контур. Число Re изменялось от 220 до 5000. Труба имела прямоугольное сечение. В ее стенке уста­ навливалось исследуемое тело так, что неизолированный торец его составлял одно целое с внутренней поверх­ ностью. трубы. В качестве образцов использовались сплошные цилиндры длиной 10—400 мм {d = 15 мм) из'

86