Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 13
1.1. Гидродинамика и теплообмен при обтекании цилиндра однородным неограниченным потоком при вынужденной и смешанной конвекции 15
1.2. Гидродинамика и теплообмен при поперечном обтекании цилиндра плоской струёй 30
1.3. Постановка задачи исследования 60
Глава 2. Экспериментальная установка и методика проведения исследо вания гидродинамики и теплообмена при обтекании цилиндра плоской струей в условиях смешанной конвекции 62
2.1. Общая схема экспериментального стенда 62
2.2. Экспериментальная установка 63
2.3. Измерительная система 71
2.4. Методика исследования гидродинамических характеристик течения в окрестности цилиндра 75
2.5. Методика исследования характеристик свободной затопленной турбулентной струи 85
2.6. Методика исследования локального и среднего теплообмена 93
2.7. Оценка точности результатов исследования 101
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований 106
3.1. Результаты экспериментальных исследований характеристик свободной затопленной плоской струи 106
3.2. Результаты экспериментальных исследо ваний гидродинамики при поперечном обтекании горизонтального цилиндра плоской струёй 112
3.3. Результаты экспериментальных исследований локального и среднего теплообмена при поперечном обтекании горизонтального цилиндра плоской струёй в условиях совпадающей смешанной конвекции 126
Глава 4. Интегральное решение задачи о теплообмене цилиндра, обтекаемого плоской струёй в режиме совпадающей смешанной конвекции. Обобщение результатов исследований 137
4.1. Схема обтекания и основные допущения 137
4.2. Распределение скорости в пограничном слое при естественной конвекции 140
4.3. Расчет локального теплообмена при смешанной конвекции в области ускоренного течения 148
4.4. Расчет локального теплообмена при смешанной конвекции в области струи пристенного типа 156
4.5. Расчет среднего теплообмена при поперечном обтекании горизонтального цилиндра плоской струей в условиях совпадающей смешанной конвекции 163
Выводы 169
Список публикаций по теме диссертации 171
Литература
- Гидродинамика и теплообмен при поперечном обтекании цилиндра плоской струёй
- Экспериментальная установка
- Результаты экспериментальных исследо ваний гидродинамики при поперечном обтекании горизонтального цилиндра плоской струёй
- Расчет локального теплообмена при смешанной конвекции в области струи пристенного типа
Введение к работе
Прикладная теория конвективного теплообмена развивалась в основном применительно к задачам вынужденной или свободной конвекции. Вместе с тем все технологические процессы протекают в гравитационном поле, или эквивалентном ему поле сил инерции, поэтому при решении задач конвективного теплообмена при умеренных скоростях вынужденного потока возникает необходимость учитывать влияние подъёмных сил. Подъёмные силы могут вызвать значительное изменение гидродинамических условий обтекания поверхности и интенсивности теплоотдачи. Таким образом, при умеренных скоростях вынужденного потока и заметных разностях температуры поверхности и внешнего потока имеет место режим смешанной конвекции.
В ряде технологических процессов в этой связи большое внимание привлекает к себе использование газовых струй. Высокие коэффициенты теплоотдачи, возможность локализации интенсивных тепловых потоков в определённых местах на поверхности, с которой взаимодействует струя, энергосбережение при использовании струйного обдува по сравнению с неограниченным однородным потоком и возможность изменения локальных характеристик теплообмена путём изменения расхода и расстояния до поверхности обусловливают их широкое применение в промышленности. Области применения газовых струй включают в себя сушку текстильных изделий, бумаги, фанеры и плёночных материалов, отжиг металлических и пластиковых листов.
В большинстве областей применения предполагается взаимодействие круглой или плоской струи, или ряда струй с плоской поверхностью. Однако взаимодействие плоской струи с цилиндрической поверхностью также представляет практический интерес в современной инженерной практике, например, при нагреве или охлаждении заготовок цилиндрической формы из металла, стекла или пластика. Теплообмен при этом более эффективен и такой способ воздействия рабочей среды на тело может с успехом применяться для интенсификации теплообмена. Вопросы взаимодействия плоской струи с цилиндрической поверхностью, в том числе теплообменные процессы, представляют практический интерес также и при производстве заготовок для вытягивания световодного волокна методом осаждения стеклообразующих частиц на цилиндрическую затравку из парогазовой смеси (OVD-метод).
В то же время, более широкому внедрению струйного обдува в перечисленных областях мешает относительно недостаточная изученность вопроса в целом. Если в настоящее время задача о конвективном теплообмене при обтекании круглого цилиндра однородным неограниченным потоком изучена достаточно хорошо, то теплообмен при обтекании цилиндра свободной турбулентной струёй газа изучен слабо. Основная трудность здесь состоит в большем, чем при обтекании неограниченным потоком, числе определяющих теплообмен параметров, что связано, прежде всего, с изменением скорости и степени турбулентности по оси струи, необходимостью учета расстояния от среза сопла до поверхности цилиндра и с существованием трёх характерных участков течения в свободной струе - начального, переходного и основного.
На сегодняшний день имеется лишь несколько экспериментальных работ, в основном по вынужденному обтеканию цилиндра плоской струёй воздуха в области больших чисел Рейнольдса, результаты которых могут быть использованы в ограниченном диапазоне определяющих параметров. Что касается численных исследований, то к настоящему времени количество их ещё меньше, и эти работы ограничиваются исследованиями теплообмена в основном в области лобовой точки и малых чисел Рейнольдса. Например, известна лишь одна работа, в которой исследовался теплообмен изотермического цилиндра с нагретой струёй воздуха в области малых чисел Рейнольдса в режиме смешанной конвекции. При этом авторы не предложили каких-либо обобщающих зависимостей, и полученные результаты не были
10 подтверждены физическим экспериментом. Данные, как по среднему, так и по локальному теплообмену в области небольших чисел Рейнольдса, соответствующих режиму смешанной конвекции на границе с режимами вынужденной и свободной конвекции отсутствуют.
Таким образом, можно отметить недостаток экспериментальных данных и достоверных расчетных соотношений, позволяющих проводить расчёты технических устройств, использующих взаимодействие плоской турбулентной струи с цилиндрической поверхностью.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена горизонтального цилиндра, находящегося в начальном участке поперечно натекающей плоской турбулентной струи воздуха в условиях смешанной конвекции, граничащей с режимами как чисто вынужденной, так и свободной конвекции. Получены количественные данные по локальному теплообмену и гидродинамике течения в пристенном и струйном пограничных слоях. Проведено обобщение полученных экспериментальных данных.
Актуальность работы обусловлена тем, что полученные результаты расширяют объём данных по локальному и среднему теплообмену, а также гидродинамике течения в пристенном пограничном слое цилиндра, обтекаемого плоской турбулентной струёй в режиме вынужденной и смешанной конвекции.
Обоснование достоверности полученных результатов основано на использовании в эксперименте приборов, прошедших метрологическую проверку, использовании различных методов тестирования и контроля измерительной системы экспериментального стенда, включая тщательную тарировку приборов. Проведено сравнение полученных результатов с данными других авторов в предельных режимах для смешанной конвекции и с данными независимых измерений в настоящей работе, которое показало хорошее соответствие результатов друг другу.
11 Научная новизна. Экспериментально исследованы локальные и средние характеристики гидродинамики и теплообмена около цилиндра в начальном участке плоской турбулентной струи при смешанной конвекции в области небольших чисел Рейнольдса, граничащих с режимами вынужденной и свободной конвекции. В режимах, близких к вынужденному обтеканию получены данные по положению точки отрыва пристенного пограничного слоя. Предложена методика обобщения экспериментальных данных по локальному и среднему теплообмену.
Практическая ценность результатов заключается в полученных экспериментальных данных по теплообмену и гидродинамике при смешанной конвекции, разработке написанного в интегрированной математической среде MATHCAD программного обеспечения приближённого аналитического решения задачи о локальном теплообмене изотермического цилиндра в начальном участке поперечно натекающей плоской турбулентной струи для случая совпадающей смешанной конвекции. Получены обобщающие зависимости, являющиеся основой для разработки инженерной методики расчета локального и среднего теплообмена горизонтального цилиндра при струйном обтекании в условиях совпадающей смешанной конвекции. Особый интерес представляют экспериментально полученные распределения тангенциальной составляющей скорости течения на внешней границе пристенного пограничного слоя, которые в дальнейшем могут быть использованы в численных расчётах. Автор защищает: а) результаты экспериментального исследования теплообмена горизонтального цилиндра в начальном участке поперечно натекающей плоской турбулентной струи в условиях совпадающей смешанной конвекции; б) экспериментально полученные распределения скорости течения около цилиндра в струйном и пристенном пограничных слоях, а также на их границе в условиях чисто вынужденной и смешанной конвекции при обтекании его
12 плоской турбулентной струёй; в) данные по положению точки отрыва пристенного пограничного слоя в режимах близких к вынужденной конвекции. г) результаты приближённого аналитического решения задачи о локальном теплообмене горизонтального цилиндра в начальном участке поперечно натекающей плоской турбулентной струи в условиях смешанной конвекции и методику обобщения экспериментальных данных на этой основе.
Апробация. Материалы отдельных разделов диссертации были представлены и докладывались на научно-технических конференциях МГУЛ в 2001 и 2004 годах. В 2002 г. материалы работы были представлены на 16-ю Индийскую Национальную и 5-ю совместную с Американским обществом инженеров-механиков конференцию по тепломассообмену, докладывались на 15-м Международном конгрессе по химическому машиностроению и технологиям CHISA-2002 в Чехии, на 3-й Российской национальной конференции по теплообмену. По материалам диссертации опубликовано 6 работ: 5 печатных работ и одна работа на электронном носителе (лазерном компакт-диске).
Автор выражает огромную благодарность своему научному руководителю - к.т.н., доценту Белякову В.А. за всестороннюю поддержку и постоянную помощь при выполнении работы, а также выражает признательность сотрудникам кафедры теплотехники, к.т.н., доценту Хроменко А.В. и к.т.н. Парыгину К.Э. за практическую помощь в работе.
Гидродинамика и теплообмен при поперечном обтекании цилиндра плоской струёй
Струйный поток существенно отличается от неограниченного. Работ, выполненных для условий взаимодействия струйного потока и цилиндров в режиме смешанной конвекции не обнаружено. Поэтому рассмотрим основные закономерности распространения свободной струи и её натекание на цилиндрическую поверхность, которые подробно описаны в ряде работ, например [8, 45].
Плоская свободная струя образуется при истечении жидкости в свободное пространство из длинной узкой щели или сопла прямоугольного сечения с соотношением сторон ZQ » bo, т.е. длина сопла значительно превышает его ширину. Если физические свойства вещества струи одинаковы или отличаются незначительно от физических свойств вещества среды, струя называется затопленной. За счёт эжекции вещества из окружающей среды увеличивается количество жидкости, протекающей через поперечное сечение струи по мере удаления от отверстия. Поскольку при этом начальный импульс сохраняется, происходит расширение струи пропорционально расстоянию от среза сопла, а её скорость уменьшается. При этом если число Reo = (wbo)/v больше 30, струя после выхода становится турбулентной.
Считается, что свободная затопленная струя состоит из трёх участков -начального, переходного и основного, где выполняется условие автомодельное профилей скорости в поперечном сечении струи. При равномерном поле скоростей в выходном сечении сопла MQ = const и невысоком уровне начальной турбулентности потока Тщ 1 %, скорость на оси струи ит в начальном участке остаётся неизменной и равной щ. В переходном участке она незначительно падает, в основном - убывает примерно по закону ит - Ш0 5.
Интенсивность турбулентности на оси струи Тит- и т /ит значительно растёт в начальном и переходном участках. В основном участке её рост замедляется, асимптотически стремясь к предельному значению, которое может достигать 20-25 % в зависимости от начальной турбулентности Тщ и числа Reo. Область внутри начального участка, в которой скорость потока одинакова и равна скорости на срезе сопла щ, называется ядром струи. Длина ядра и, соответственно, начального участка, составляет обычно (4-4,5) / о и зависит от формы сопла и числа Re0. Длина переходного участка составляет (1,6-2,7)-60. Иногда переходный участок исключают и рассматривают лишь начальный и основной участки. В этом случае расстояние до переходного сечения hi bo = 6,1-7,2.
При поперечном натекании плоской свободной затопленной струи на цилиндрическую поверхность всё поле течения в общем случае можно условно разделить на четыре области: 1) область течения в свободной струе, 2) область торможения и разворота потока, 3) область пристенной струи для цилиндрической стенки и 4) область турбулентного следа за цилиндром.
Характер обтекания цилиндра плоской струёй отличается от случая обтекания неограниченным потоком. Выделим три случая, соответствующих разным картинам течения: 1) Цилиндр находится в ядре струи и его диаметр D меньше ширины струи Ь. В этом случае распределения давления по поверхности отличаются лишь количественно от докризисного обтекания неограниченным потоком. 2) Похожая ситуация имеет место и при расположении цилиндра далеко в основном участке струи, если b D. При этом набегающий поток имеет высокий уровень турбулентности, что делает картину обтекания струёй качественно похожей на сверхкризисное обтекание неограниченным потоком. 3) Ширина струи b мала по сравнению с диаметром цилиндра D. При этом струя расщепляется на две части, каждая из которых имеет тенденцию прилипания к искривлённой поверхности цилиндра, приводя, как следствие, к практически безотрывному обтеканию.
Отмеченное в третьем случае явление сходно по физической природе с явлениями, которые иногда называют «кинематическим ультрадиффузором», но чаще - эффектом Коанда [66]. Причина данного явления состоит в действии поля давления поперёк струи. Струя искривляется в сторону твёрдой стенки, где появляется некоторое разрежение вследствие её подсасывающего действия. На свободной границе струи будет поддерживаться давление окружающей среды. Возникшая таким образом разность давлений поперёк течения в струе заставляет её прилипать к твёрдой поверхности.
Безотрывное обтекание цилиндра струёй может иметь место до некоторого предельного значения В общем случае наступление отрывного режима обтекания зависит от относительной местной ширины струи b/D, местного числа Яедш = um-D/v, влиянием термогравитационных сил или числа Gr и турбулентности Тит набегающего потока. Эти параметры, в свою очередь, зависят от числа Reo.o = Щ-Dlv, Gr=gPAtd3/v2, начальной турбулентности потока Тщ, относительной начальной ширины струи b0/D и относительного расстояния от среза сопла до точки торможения на цилиндре hlb.
Экспериментальная установка
Экспериментальные исследования смешанной конвекции при натекании плоской турбулентной струи на горизонтальный изотермический цилиндр были проведены на специальной установке, которая включает в себя аэродинамический тракт открытого типа и рабочий участок.
На рис. 2.2 представлена схема экспериментальной установки. Поток воздуха создавался центробежными воздуходувками. Воздух всасывается из помещения, где проводятся эксперименты, и по воздухопроводу круглого сечения поступает в диффузор с направляющими лопатками и далее в успокоительный участок с хонейкомбом и выравнивающими сетками. На выходе истекающая в открытое пространство струя формируется плоским профилированным соплом или щелью с острыми кромками, В зависимости от требуемой на выходе величины скорости использовались одна или две воздуходувки, соединённые с двигателями постоянного тока. Регулирование скорости струи на выходе в диапазоне 0-8 м/с производилось изменением числа оборотов двигателей воздуходувок, а также изменением с помощью дроссельной заслонки площади проходного сечения всасывающей магистрали перед входом в воздуходувки.
Успокоительный участок имеет прямоугольную форму с размерами проходного сечения 200x400 мм. Установленный внутри него хонейкомб состоит из ячеек длиной 10 калибров прямоугольного сечения при толщине стенок ОД мм. Хонейкомб выравнивает поток по направлению, разбивал крупные вихри, а также уменьшает неравномерность распределения продольной скорости. В то же время, хонейкомб вносит возмущения в поток за счёт аэродинамического следа, образующегося за стенками ячеек. Для уменьшения этого явления за хонейкомбом были установлены специальные проволочные сетки, которые помимо гашения возмущений уменьшали неравномерность распределения скорости. Установка этих сеток производилась ещё и в целях уменьшения начальной турбулентности потока на входе в сопловой участок.
Профиль сопла шириной щели 20 мм и длиной 400 мм был рассчитан по формуле Витошинского [28]. Степень поджатия сопла равна 10, что позволяло получить на выходе практически равномерный профиль скорости. Струи с меньшей начальной шириной формировались щелью, образующейся при наложении на поверхность сопла в выходном сечении двух тонких пластин с острыми кромками, симметричных относительно продольной оси сопла. Для поддержания двухмерности потока на торцах сопла устанавливались специальные щитки, перпендикулярные его продольной оси.
Короб успокоительного участка жёстко крепился к сваренной из уголка прямоугольной раме, которая устанавливалась на неподвижном основании. Пространственное положение рамы и, соответственно, короба регулировалось с помощью трёх установочных винтов в углах рамы. Сверху к коробу крепилось сопло, снизу диффузор, с боковых сторон крепились направляющие подвижной рамы, выполненные из уголка. Соединение диффузора с армированным шлангом от воздуходувок выполнялось с использованием резиновой вставки в целях предохранения рабочей части стенда от вибраций.
Стенд снабжён тремя координатными устройствами: одним внешним и двумя внутренними. Одно внутреннее координатное устройство крепилось на подвижной раме, другое на коробе успокоительного участка. Внешнее координатное устройство было изготовлено на базе фрезерного станка. С помощью него осуществлялось перемещение в вертикальном и горизонтальном направлениях лазера фирмы Spectra-Physics с расщепителем лучей и фотоумножителем, которые входят в комплект лазерного анемометра.
Горизонтальное и вертикальное перемещения регистрировались часовыми индикаторами ИЧ-50 с ценой деления 0,01 мм и ходом штока 50 мм. Предварительно производилась установка внешнего координатного устройства с помощью катетометра В-630.
Внутреннее координатное устройство, закреплённое на подвижной раме, использовалось для перемещения датчика температуры. Устройство было изготовлено на базе индикатора ИЧ-50. Подпружиненный шток индикатора через капроновую нить был соединён с барабаном, жестко закреплённым на выходном валу микроредуктора, который приводился во вращение реверсивным микроэлектродвигателем постоянного тока. Передаточное отношение редуктора равно 1000. Максимальная скорость вращения вала микроэлектродвигателя 12000 об/мин. Управление координатным устройством производилось дистанционно. Подвижный датчик температуры представлял собой стандартный вилкообразный зонд фирмы DANTEC с чувствительным элементом из вольфрамовой проволоки диаметром 5 мкм и длиной 1,25 мм, который работает по принципу термосопротивления. Державка датчика температуры с помощью специального зажима крепилась к полой штанге, которая через шарнирный узел была связана со штоком индикатора, регистрировавшего перемещения датчика по нормали к поверхности цилиндра при работе микроэлектродвигателя. Вся система жёстко монтировалась на полой штанге вдали от цилиндра. Сам часовой индикатор, в свою очередь, устанавливался на рамке, жёстко закреплённой на подвижном лимбе, так что всю конструкцию с датчиком температуры можно было перемещать по кольцевым направляющим на угол 180. С помощью делительной головки на направляющих была нанесена градусная шкала.
Результаты экспериментальных исследо ваний гидродинамики при поперечном обтекании горизонтального цилиндра плоской струёй
Предельными случаями для исследуемой смешанной конвекции на цилиндре при струйном обтекании являются естественно-конвективное обтекание нагретого цилиндра и чисто вынужденное обтекание струёй с температурой потока, равной температуре цилиндра. Поэтому в настоящей работе сначала были проведены экспериментальные исследования гидродинамики при поперечном вынужденном обтекании плоской воздушной струёй холодного (ts = іа) цилиндра, а затем обтекании плоской струёй нагретого горизонтального (ts to) цилиндра в условиях совпадающей смешанной конвекции. Лазерным анемометром MAL VERN были измерены профили тангенциальной скорости в пристенном и струйном пограничных слоях на холодном и нагретом цилиндре в диапазоне чисел Re-до = 1,7-102-9,5-103 и значений геометрических параметров bQ/D = 0,066-0,262 и h/bo = \-А. Разность температур стенки и натекающей струи в экспериментах с нагретым цилиндром составляла At = ts - to — 37,5—38 С, так что число Грасгофа Gro,o было 2,4910б-2,55 10б. При этом число Ричардсона RiD0 =Gr 0/Re)0, являющееся одним из определяющих параметров в условиях смешанной конвекции, менялось в пределах 0,028-88,2. Были также измерены профили скорости в окрестности нагретого цилиндра при естественной конвекции и числе Грасгофа в указанных пределах, что соответствует другому предельному случаю Rioo . В результате были получены распределения максимальной скорости на границе пристенного пограничного слоя в зависимости от угла ит(ф).
На рис. 3.8 даны распределения максимальной скорости на внешней границе пристенного пограничного слоя, полученные из экспериментов по обтеканию холодного цилиндра. Из них видно, что в самом общем случае можно выделить три характерные области течения на поверхности цилиндра: 1) область ускоренного (градиентного) течения в окрестности лобовой ТОЧКИ (0 ф фтах), где скорость меняется от нуля при ф = 0 до максимально возможного значения wm;iiiax при ф = фтах; 2) область пристенной струи на цилиндрической поверхности, где скорость в слое и на границе ит падает, и 3) область отрыва пристенного пограничного слоя.
На рис. 3.8 также видно, что при малых значениях h$ID наблюдается картина изменения ит по окружности цилиндра, схожая с той, что и при нормальном натекании плоской струи на пластину. При значениях углов ф фтах величина ит, за исключением небольшой области вблизи кормовой точки, падает схожим образом со случаем распространяющейся вдоль пластины полуограниченной струи. С увеличением bo/D положение максимума скорости сдвигается в сторону больших углов (рис. 3.9), а на форме кривой распределения ит(ф) начинает сказываться кривизна поверхности: вид кривой ит(ц ) при ф ф1ШХ меняется с вогнутого на выпуклый, то есть течение типа полуограниченной струи переходит в течение подобное неограниченному потоку в диффузорной области цилиндра. Величина относительного максимума скорости wmax = итт&(щ с уменьшением параметра b0/D также уменьшается (рис. ЗЛО), стремясь в пределе к значениям, которые характерны для случая нормального натекания струи на плоскую поверхность и могут быть меньше единицы. При этом число ReD,o не влияет на положение максимума скорости и его относительную величину, что согласуется с данными других работ для области более высоких чисел Rez ,o = 9,5103-3-Ю5 [15,62,43].
Данные других авторов получены или непосредственно из измерений распределений скорости в пристенном слое, или из измерений распределений давления по поверхности цилиндра. Поскольку для пристенного пограничного слоя справедливо неравенство др/дх» др/ду [23], а толщина слоя в области ускоренного течения невелика ( - 1-1,5 мм), можно принять, что статическое давление в нём не меняется в направлении, перпендикулярном к стенке (др/ду 0). Тогда в каждом сечении на внешней границе пристенного пограничного слоя области ускоренного течения справедливо выражение и распределение ит(ф) получается простым пересчётом экспериментального распределения давления р(ц ).
Вид зависимостей (?m (bo/D) и йпшхфоЮ) косвенно подтверждает вывод авторов работ [15, 17 и 47] о качественно ином характере обтекания цилиндра струёй при bo/D 0,5 за счёт эффекта Коанда и переходе к отрывному обтеканию, качественно схожему со случаем неограниченного потока, при bo/D 0,5. На рис. 3.11 видно, что с ростом значения bo/D в интервале от 0 до 0,5 величина координаты точки максимума скорости в пограничном слое фтах сначала резко возрастает, а затем в интервале от 0,5 до 0,6 падает. Наконец, при b0/D 0,6 величина фшаХ снова плавно растёт, асимптотически приближаясь к значению, которое соответствует обтеканию цилиндра неограниченным потоком (68-73). Похожим образом ведёт себя и зависимость йтах (bQ/D) в интервале b0/D 0,6. В то же время, как следует из данных на рис. 3.12, при значениях bo/D 0,6 кривая utmx(bo/D) разветвляется в зависимости от числа ReB0 и турбулентности набегающего потока Тит.
Расчет локального теплообмена при смешанной конвекции в области струи пристенного типа
Полученное выражение справедливо для среднего теплообмена в начальном участке струи при совпадающей смешанной конвекции для Pr = 0,7...1,0, yD - 0,04...0,4 и при условии отсутствия турбулизации пристенного пограничного слоя, т.е. значения числа Рейнольдса Re 0 5,58 10 I у, полученного в работе [43]. На рис. 4.6 дано сравнение расчётов по формуле (4.6) с экспериментальными данными по среднему теплообмену, полученными интегрированием профилей локальной теплоотдачи. Видно, что расчётные и опытные данные согласуются удовлетворительно. Некоторое занижение (до 5 %) расчётных результатов связано, очевидно, с тем, что в предположении безотрывного обтекания не учитывается теплоотдача в области кормовой точки (коэффициент теплоотдачи в ней равен нулю, согласно формуле (4.5)). Кроме того, предположение о равенстве толщин теплового и динамического пограничного слоев даёт некоторое занижение результатов в области лобовой точки, что также уменьшает при интегрировании коэффициент средней теплоотдачи.
1. Экспериментально с помощью лазерного анемометра MALVERN получены распределения тангенциальной составляющей скорости в окрестности холодного (с температурой, равной температуре окружающей среды) цилиндра при чисто вынужденном обтекании его плоской турбулентной струёй воздуха (Pr = 0,7). Исследования проведены в диапазоне значений числа Re o = 170-9,5 103 и относительной начальной ширины ЬЮ = 0,066-0,262; цилиндр в экспериментах располагался в начальном участке струи (h/ba= 1-4). Были измерены также профили скорости в окрестности нагретого горизонтального изотермического цилиндра, обтекаемого струёй в режиме совпадающей смешанной конвекции при тех же числах Re.D;o, числе Gipj0 2,5-106 и, соответственно, числах RiD,0= 0,028-88,2.
2. На основании экспериментальных результатов настоящей работы предложены обобщающие зависимости для распределения скорости на внешней границе пристенного пограничного слоя в случае чисто вынужденного обтекания для значений h/b0= 1 , b0/D = 0,06-0,4 и Яедо = 170 - 9,5-Ю3. Данные зависимости могут быть использованы при обобщении экспериментальных данных на основе приближённого решения задачи о локальном теплообмене цилиндра на базе интегральных соотношений пограничного слоя и более точных расчётов на базе численного решения соответствующих дифференциальных уравнений.
3. Экспериментально с использованием термоанемометра DANTEC исследован локальный теплообмен нагретого горизонтального изотермического цилиндра, расположенного в ядре струи (hibo = 1-4), при охлаждении его плоской турбулентной струёй воздуха (Pr = 0,7) в режиме совпадающей смешанной конвекции при значениях чисел Re ,0 169-9,51-Ю3, (Зтдо = 2,5 10б, Кід0 = 0,028-88,2 и параметра bQ/D = 0,066-0,262.
4. Получены данные по среднему теплообмену на основании результатов исследований локального теплообмена и независимым способом с помощью измерений на основе уравнения теплового баланса.
5. Выполнено интегральное решение задачи о локальном теплообмене горизонтального цилиндра в начальном участке (h/b0 = 1-4) поперечно натекающей плоской турбулентной струи воздуха (Рг = 0,7) в режиме совпадающей смешанной конвекции. Предложены обобщающие зависимости и программа в среде MATHCAD для расчёта локального и среднего теплообмена в области значений Кедо= 170-9,5-10\ RiA0= 0,028-88,2 и b ID = 0,06-0,3.
6. Результаты исследований, в частности обобщающие зависимости по теплообмену, могут быть использованы при проектировании устройств и расчёте соответствующих режимов струйного нагрева, охлаждения и сушки заготовок цилиндрической формы из различных материалов. Полученные данные можно использовать также при разработке процессов получения цилиндрических заготовок для вытягивания световодного волокна методом осаждения из парогазовой смеси (OVD-метод), поскольку скорость осаждения стеклообра-зующих частиц на цилиндрическую затравку, являющаяся основным показателем эффективности процесса, в сильной степени определяется закономерностями распределения по окружности локальных характеристик гидродинамики и теплообмена.
