Интенсификация теплоотдачи при течении однофазной среды, страница 2

Для коэффициента гидравлического сопротивления труб с песочной шероховатостью в режиме ее полного проявления Никурадзе получил уравнение

Это уравнение можно применять также для труб некруглого поперечного сечения, если вместо r подставить d*/2, где d* = 4f/P¾ эквивалентный диаметр; f, P ¾ площадь поперечного сечения трубы и ее периметр.

Гидравлическое сопротивление в трубе с шероховатой поверхностью

В отличие от песочной шероховатости техническую шероховатость нельзя определить заданием одного параметра типа k или k/r. Однако ту или иную техническую шероховатость можно поставить в соответствие эквивалентной ей песочной шероховатости, определяемой одним параметром k*/r.

Под эквивалентной песочной шероховатостью понимается шероховатость, элементы которой имеют высоту k*. При названной высоте в режиме с полным проявлением шероховатости величина x такая же, как в трубе с данной технической шероховатостью. Измерив коэффициент гидравлического сопротивления для трубы с данной  шероховатостью, вычисляют эквивалентную песочную шероховатость.

Зависимости x(Re) для труб с эквивалентной шероховатостью показаны на рис. 2.2.. Они аналогичны соответствующим зависимостям для труб с песочной шероховатостью. Разница лишь в том, что в данном случае при переходном режиме x монотонно уменьшается с ростом числа Re. Коэффициент сопротивления для всех трех режимов течения описывается уравнением Кольбрука и Уайта

Рис. 2.2. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Re для труб с эквивалентной шероховатостью

1 ¾4 соответствуют отношениям k*/d = 0; 0,0001; 0,001; 0,01

при k*/r®0 уравнение (2.5) переходит в формулу Прандтля для гидравлически гладких труб, которая дает близкие результаты с более простой формулой Филоненко

Теплоотдача в трубе с искусственной шероховатостью

Теплоотдача в шероховатой трубе может быть как выше, так и ниже, чем в гладкой трубе. Это определяется формой, высотой, взаимным расположением элементов шероховатости и числами Re и Pr.

На практике для интенсификации теплоотдачи часто используется двумерная искусственная шероховатость: резьбы, выточки, ребра и др.

Выступы с прямоугольным и плавным профилями, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга, приведены на рис. 2.3.

Шероховатость с прямоугольными выступами характеризуется высотой элементов k, шагом l и шириной впадины l₁. На рисунке иллюстрируется картина течения вдоль стенки с прямоугольными элементами. В результате отрыва потока за выступом возникает вихревая зона, протяженность которой до точки присоединения составляет примерно 6k (см. рис. 2.3 a). За этой зоной формируется поле скорости, аналогичное полю в гладкой трубе. Перед следующим выступом также возникает небольшая вихревая область протяженностью (1¾2)k. Если расстояние между выступами составляет примерно 4k, то вихревая зона заполняет всю впадину (см. рис. 2.3 б). Срыв потока на выступах шероховатости ведет к  усилению турбулентного переноса у верхней границы вихревой зоны и в окрестности точки присоединения. В результате теплоотдача в этих зонах улучшается. Застойные зоны во впадинах приводят к снижению теплоотдачи иногда до уровня более низкого, чем в гладких трубах.

Таким образом, по длине впадины теплоотдача распределена неравномерно. В застойных зонах она понижена, вблизи точки присоединения максимальна, а вдали от выступа, где влияние вихревой зоны ослабевает, снова уменьшается. Длина впадины, соответствующая максимуму средней по поверхности теплоотдачи, составляет (10¾12)k.

Высота элемента шероховатости должна быть соизмерима с толщиной пристенного слоя, где сосредоточена основная доля термического сопротивления и которая зависит от числа Pr. Так, при числах Pr, равных 1, 5, 50, относительная высота шероховатости k* составляет соответственно 250, 50, 10.