Файл: Козырев, А. П. Теория тепловых и гидродинамических процессов в атомных энергетических установках учеб. пособие.pdf

ваются и подробно рассмотрены в монографиях по теплооб­ мену [ 38, 42 ] . Частные случаи применения зави­ симости будут рассмотрены ниже.

Теплоотдача._при ламинарном режиме

При ламинарном режиме течения ('/?е$2000) отсутству­ ют турбулентные пульсации. Тогда при Л г = 0 интеграл Лайона упрощается и принимает вид

Если течение гидродинамически и термически стабили­ зировано и неизотермичность потока слабо влияет на фи­ зические свойства жидкости, то параболический закон распределения скоростей в ламинарном потоке можно за­ писать в относительных величинах:

218

Полученные теоретические решения (б .29) и (б .30) не учитывают влияния поля температур на физические свой­ ства потока и поле скоростей и поэтому совпадают с опытными данными только прималых температурных напо­ рах. При переходном и турбулентном режиме поле темпе­ ратур (неизотермичность потока) несущественно влияет на поле скоростей. Однако при больших градиентах тем­ ператур по сечению в ламинарном режиме теряется его основное свойство - параболический закон распределе­ ния скоростей. Кроме того, наличие неодинаковой тем­ пературы по сечению является причиной возникновения подъемных сил и свободной конвекции, которая наклады­ вается на вынужденное движение. Таким образом, в ус­ ловиях подвода или отвода тепла при любой ориентации трубы в поле тяжести всегда возникают вторичные тече­ ния, обусловленные разностью плотностей жидкости в по­ токе. О влиянии этих вторичных течений на гидродина­ мику ламинарного потока можно судить по соотношению сил вязкости и подъемных сил, т .е . по критерию G % или Ra . Существуют предельные числа Рэлея, ниже которых свободной конвекцией можно пренебречь и выше которых ее следует учитывать.

В зависимости от влияния свободной конвекции на теплоотдачу различают вязкостный и вязкостно-гравита­ ционный режим неизотермического движения. При вязкост­ ном режиме силы вязкости преобладают над подъемными силами. При этом режиме температурный напор в потоке сказывается только на деформации параболического про­ филя скорости из-за влияния температуры на вязкость.

219

Искажение профиля зависит от направления теплового по­

Чем больше диаметр трубы, температурный напор и вязкость, тем сильнее проявляются подъемные силы. При

Gz'Pz ^ 8* 10- имеет место вязкостно-гравитационный режим, при котором скорость свободной конвекции соизме­ рима со скоростью течения, обусловленной внешним по­ будителем. В этом случае теплоотдача зависит как от кри­ терия Re , так и от критериям г , а уравнение подо­

бия имеет вид

Nu = \о,73Ре^р+k(Jbbt)0,0] (GzPz)^p , (б .31)

220

висят от расположения трубы и взаимного направления вы­ нужденного и свободного движения. В вертикальной трубе при совпадении направлений скорость потока у стенки возрастает ( рис. 6 .1 0 ), теплоотдача растет, и к =+1.

Наоборот, при противоположном направлении скорость у

стенки и теплоотдача уменьшаются к = - I . Для гооизонтальных труб направления свободного и вынужденного дви­

жения взаимно перпендикулярны, к = 0 . Однако за счет лучшего перемешивания жидкости теплоотдача в среднем больше, чем при вязкостном режиме.

Теплоотдача п р и переходном режиме

Теплообмен в переходной области от ламинарного к турбулентному режиму в области чисел Рейнольдса Re =

221

в трубах одновременно существуют ламинарный, переход­ ный и турбулентный режимы течения. Следствием этого яв­ ляется переменное значение местного коэффициента тепло­ отдачи по всей длине трубы (рис. б .I I ) .

AVo

2 О АО 2 0 зо А/0 SO 6 0 70

Рис. б . I I . Изменение теплоотдачи по длине канала:

I - Re - 678} 2 - Re =3130 ; 3 - Re =3920 ; 4 - Re = 4680

Для области перехода характерна перемежаемость те­ чения, представляющая собой периодическую смену лами­ нарных и турбулентных структур в результате возникнове­ ния и развития очагов возмущения внутри ламинарного по­ тока. характеристикой такого течения является коэффи­ циент перемежаемости со , указывающий, какую долю не­ которого промежутка времени в данном сечении канала су­ ществует чисто турбулентное течение. При со = О струк­ тура потока чисто ламинарная, при со = I - полностью турбулентная. Величина со растет с увеличением числа Re и расстояния от входа, образование и развитие тур­ булентных пробок происходит через разные интервалы вре­ мени в диапазоне частот от 0 до 5 гц.

Рассмотренная структура потока позволяет сделать важные выводы в отношении процессов теплоотдачи и тем­ пературного состояния поверхности нагрева.

Перемежаемость течения приводит к колебаниям мест­ ного коэффициента теплоотдачи во времени, что при усло­ вии постоянного подвода тепла ( Я = const ) ведет к ко­ лебаниям температуры стенки, а при £ _ = const - к ко­ лебаниям местного теплового потока. '

222

На рис. 6.12 показаны результаты записи тейпературы стенки во вреыени в переходной режиме при обогреве ка­

вследствие чередования условий теплосъема при прохожде­

шение амплитуд, ранное 1,83. Указанное явление может стать причиной термической усталости металла трубок и выхода из строя поверхности нагрева.

Надежная методика расчета теплообмена в переходной

области в настоящее время отсутствует. Б.С. Петухов

223