Главными факторами, объясняющими рост потерь давления в закрученном потоке, являются увеличение поверхности трения и возникновение вторичных течений. В [10] выполнена визуализация течения воздуха в трубе со вставленной прямой лентой (k =0). Наличие даже плоской ленты приводит к появлению вторичных течений в виде центрального тока от ленты в ядро потока. При установке скрученной ленты возникают дополнительные эффекты, вызывающие с ростом коэффициента закрутки существенное увеличение вторичных течений, связанное с наличием радиального распределения давления вдоль ленты. Вместе с тем, наблюдения вторичных течений и исследования полей скоростей позволили авторам [10] сделать вывод о том, что вторичные течения у стенки трубы практически отсутствуют. Влияние вторичных течений проявляется непосредственно вблизи поверхности ленты, практически не участвующей в теплообмене.
Изменение геометрии течения учитывалось в [10, 6] на основе расчета средней скорости на внешней границе вязкого подслоя в канале, ограниченном внутренней стенкой трубы и поверхностью ленты, определяемой в соответствии с долями этих поверхностей:
, (3.5)
где w1 – средняя скорость на внешней границе вязкого подслоя на ленте, изменяющаяся от w (при r » 0) до w* (при r » R).
Далее в [6], основываясь
на экспериментально подтвержденной “одинаковости профилей полных обобщенных
скоростей для закрученных и незакрученных потоков”, и полагая, что
сопротивление трения в закрученном потоке равно сопротивлению трения в
прямолинейном потоке, если в качестве характерной скорости принять среднюю
полную скорость закрученного потока 
, а длину эквивалентного канала L определить по средней линии тока на
внешней границе слоя: L = lc, где l – длина трубы, для поправки f, учитывающей только увеличение
поверхности трения, получено выражение:
f = с2.8 , (3.6)
где значение с определяется из (3.5).
Полные потери давления в закрученном потоке в [6] определяются потерями на трение, вихревое смешение и создание вынужденного вихревого течения (последние два слагаемых заимствованы из [15]).
Аналитическое выражение для f, полученное в работе [10], основано на подходе, повторяющем [15, 6]. Выражение для f имеет сложную конструкцию, включающую в себя только геометрические параметры ленты и трубы:
f = 
,
(3.7)
где:
h1=
;
h2=
;
h3=
;
ks – определяемая экспериментально постоянная (ks = 0,436), n=7.
В работе [11] получена аналитическая поправка на “относительный коэффициент тепломассообмена и трения” учитывающая изменение геометрии течения, которая имеет вид:
f= 1/cos jо , (3.8)
где jо – угол закрутки потока.
Полученная теоретически в [165] поправка основана на дополнительном учете вынужденного вращательного движения двух противоположно закрученных вихрей вторичного течения, при этом в основе вывода лежит неоднократно экспериментально подтвержденный факт о пренебрежении радиальной составляющей скоростью в сравнении с осевой и тангенциальной. Поправка авторов [165] имеет следующий вид:
f = 1+2k2 . (3.9)
При выборе подхода для обобщения собственных опытных данных по потерям давления представляется резонным не идти по пути построения очередной эмпирической поправки f (по данным рис. 3.7), а еще на этапе обработки первичных измерений учесть, что течение закрученного потока осуществляется по винтовому каналу, имеющему длину, больше, чем длина трубы и со скоростью, превосходящей осевую. Осреднение скорости потока на внешней границе вязкого подслоя в винтовом канале в виде (3.6) и соответствующий выбор длины канала в [6, 10] приводят к занижению основного вклада в потери давления за счет трения. Вблизи стенки трубы, на внешней границе вязкого подслоя, как показывают представленные данные, результирующая скорость потока близка к w*. Скорость на внешней границе вязкого подслоя на ленте, без учета вторичных течений, изменяется от w (при r » 0) до w* (при r » R). Принимая во внимание опытные данные [10, 6, 15], показывающие, что вклад вторичных течений, приводящий к увеличению скорости в пристеночном слое, проявляется именно на ленте в области оси трубы, можно предположить, что средняя скорость на границе вязкого подслоя на ленте будет также близка к w*. Так как потери давления в основном определяются трением на поверхности винтового канала, а толщина вязкого подслоя при развитом турбулентном течении значительно меньше диаметра трубы, то за эффективную скорость потока разумно принять скорость w*, определяемую выражением (3.4). Тогда эффективную длину винтового канала логично выразить аналогично:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.