19. Понятие коэффициента теплоотдачи и его связь с коэффициентом теплопроводности. Смысл введения коэффициента теплоотдачи

Режим течения (в том числе и интенсивность турбулентности) однозначно связан с соотношением инерционных сил и сил вязкости (вязкость демпфирует пульсации). Если рассмотреть уравнение движения, то в нем можно выделить силы инерции и вязкости и найти их отношение:

В принципе можно найти множитель (например 0,0001), при котором критерий Рейнольдса, больший единицы будет определять турбулентное течение, а меньше единицы—ламинарное. Таким образом, можно сформировать критериальную (безразмерную) форму зависимости коэффициента теплоотдачи, удобную для обобщения экспериментальных данных по теплообмену. В этом случае коэффициент теплоотдачи также должен быть безразмерным. Поскольку в эксперименте очень трудно определять градиент температуры газа вблизи стенки, то в качестве температурного градиента будем использовать разность полной средней температуры жидкости (газа) в потоке и температуры стенки.

Запишем очевидное равенство . Отсюда, безразмерный коэффициент теплоотдачи (число Нуссельта) .

20. Связь коэффициента теплоотдачи с числом Рейнольдса

Классическим примером эффективного использования критериальной формы аппроксимации экспериментальных данных является осредненная зависимость:

для развитого турбулентного течения в гладких трубах, с помощью которой можно определить теплоотдачу от газа к поверхности. Как следует из вышерассмотренных соотношений, чем тоньше пограничный слой, тем больше градиент температуры на стенке и тем больше тепловой поток. Поэтому при «лобовом» натекании струи на поверхность реализуются максимальные коэффициенты теплоотдачи: пограничный слой находится в стадии формирования (имеет минимальную толщину). С одной стороны, поверхности, подвергаемые такому воздействию со стороны горячего газа, очень трудно охлаждать (например, входные кромки лопаток турбины). С другой стороны, «лобовое» натекание со стороны охлаждающего воздуха является очень эффективным средством снижения тепловой нагрузки на поверхность.

Для примера, критериальное уравнение теплоотдачи при лобовом натекании имеет вид:

, где число Рейнольдса определяется по диаметру отверстия подачи охлаждающего воздуха.

22. Факторы, влияющие на процессы теплоотдачи при обтекании лопаток турбины в реальных условиях

Как уже было отмечено ранее, основой для оценки граничных условий теплообмена со стороны внешнего обтекания являются результаты расчета нестационарных статор-ротор взаимодействия и плоского пограничного слоя. К числу факторов, которые необходимо учитывать дополнительно, относятся:

1. турбулентность основного потока,

2. пленочное охлаждение в условиях нестационарного взаимодействия,

3. трехмерность течения в концевых сечениях,

4. дрейф горячего ядра потока вдоль поверхности корыта лопатки. Турбулентность потока определяется как отношение осредненной во времени пульсации скорости к осредненной скорости потока, т.е.

T_U = где U, V, W – компоненты скорости