научная статья по теме ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТОКА ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ С КОНВЕКТИВНОЙ ТЕПЛООТДАЧЕЙ. 167 ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТОКА ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ С КОНВЕКТИВНОЙ ТЕПЛООТДАЧЕЙ. 167 ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Машиностроение и машиноведение

Технология машиностроения

Иванова Т.Н., кандидат технических наук, доцент

Кондратьев А.Б., бакалавр (Чайковский филиал Пермского национального исследовательского политехнического университета)

гидродинамические исследования потока охлаждающей жидкости с конвективной теплоотдачей

Исследование гидродинамических явлений подачи потока смазочно-охлаждающей жидкости при торцовом шлифовании позволят установить гидроаэродинамические характеристики подачи СОЖ в зону шлифования, смоделировать гидродинамический тракт, состоящий из переходов, поворотов и других элементов, создающих оптимально-направленный поток жидкости в зону контакта шлифовальный круг - обрабатываемая деталь и создать гидродинамическую модель процесса торцового шлифования.

Ключевые слова: торцовое шлифование, охлаждающая жидкость, коэффициент теплообмена, режим течения, скорость потока.

fluid flow research coolant with convective heat

Investigation of hydrodynamic phenomena feed flow of coolant at face grinding gidroaerodinamicheskie features allow you to install the coolant in the grinding zone, to simulate the hydrodynamic path consisting of transitions, turns, and other elements that create an optimally-directional flow of fluid into the contact grinding wheel-workpiece and create a hydrodynamic model of the mechanical grinding.

Keywords: mechanical grinding, cooling water, heat transfer coefficient, flow mode, the flow rate.

При шлифовании плоских деталей эффект понижения температуры значительно зависит от влияния охлаждающей жидкости, которое определяется коэффициентом теплообмена а.

Определение коэффициента теплообмена является одним из важнейших параметров расчета температурных полей. Как правило, при его выборе нет точных значений, поскольку он определяется с учетом большого числа факторов, оценить которые весьма затруднительно, такие как динамическая вязкость жидкости, ее средняя скорость, удельная теплоемкость, удельный вес, ускорение силы тяжести, а так же конфигурация и размеры детали.

В данной работе ограничимся рассмотрением способа определения коэффициента теплообмена в условиях конвективного теплообмена в неограниченном пространстве, применительно к задачам по определению температурных полей обрабатываемых деталей. Конвективный теплообмен в неограниченном пространстве можно принять в качестве модели при расчете теплообмена детали, находящейся в воздушной среде на нетеплопроводном основании или охлаждающей жидкости.

Процесс теплообмена между обрабатываемой поверхностью и омывающим потоком охлаждающей жидкости довольно сложен. Во многих случаях перенос тепла осуществляется одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением [1].

Конвективный теплообмен - это фактически всегда совместный процесс переноса тепла

1

конвекцией и теплопроводностью, причем основным процессом является конвекция . В общем случае, коэффициент теплообмена определяется как

сс = ак +ар, (1)

где ак - конвективный коэффициент теплопередачи, учитывающий теплопроводность (кон-дукцию);

ар - коэффициент теплоотдачи излучением.

Установлено [1], что в потоках капельных жидкостей лучистого теплообмена нет

ар = 0, основным является конвективный перенос тепла, т.е. а = ак.

2

При вынужденном конвективном теплообмене между жидкостью и обрабатываемой поверхностью количество передаваемого тепла обусловливается температурным напором и скоростью потока охлаждающей жидкости.

Конвективный теплообмен происходит при движении жидкости. При этом перенос тепла осуществляется одновременно молекулярной кондукцией и макрочастицами, перемешивающимися в среде, движущейся из области с одной температурой в область с другой температурой. Существенным здесь является то, что конвекция может происходить лишь в текущей среде и при этом перенос тепла неразрывно связан с переносом самой среды.

Теплообмен между потоком жидкости и обрабатываемой поверхностью прямопропор-ционален коэффициенту теплоотдачи а, площади контакта Е и температурному напору между температурой обрабатываемой поверхности Тп и температурой жидкости Тж. В основу рассматриваемой связи положен закон Ньютона

б = а(Тп - Тж )Е

О

или а = т?—(2)

(Тп - Тж )Е

С другой стороны, плотность теплового потока на обрабатываемой поверхности (теплоотдача) может быть найдена по уравнению Фурье

Чп ^дп ) „=/

где п - нормаль к обрабатываемой поверхности

А (дТ |

или а =--1 — I (3)

Тп - Тж \дп ) п=0

Следовательно, коэффициент теплообмена - это количество тепла, переданное от текущей среды к обрабатываемой поверхности или, наоборот, от обрабатываемой поверхности

1 Конвективным теплообменом называется совокупное явление теплообмена между жидкостью и обрабатываемой поверхностью при их непосредственном соприкосновении.

2 Вынужденной конвекцией называется движение жидкости под действием внешних сил, например насоса.

к текущей среде, через единицу обрабатываемой поверхности, отнесенное к разности температур между обрабатываемой поверхностью и средой.

Выражение (3) называют уравнением теплоотдачи.

Коэффициент теплообмена а зависит от геометрических размеров, формы и температуры поверхности теплообмена, гидродинамики, режима движения, скорости и температуры СОТС, физических свойств жидкости. Главное влияние на интенсивность теплообмена оказывает скорость потока и режим течения охлаждающей жидкости. Обычно, чем выше скорость течения охлаждающей жидкости, тем выше значение коэффициента теплообмена.

При соприкосновении частиц жидкости с обрабатываемой поверхностью под действием сил вязкости образуется тонкий слой заторможенной жидкости, частицы жидкости прилипают к поверхности, в пределах которого скорость потока изменяется от нуля до скорости невозмущенного потока (вдали от зоны контакта). Этот слой заторможенной жидкости называют гидродинамическим пограничным слоем. Если течение происходит без трения, то оно подчиняется законам идеальной жидкости.

При омывании обрабатываемой поверхности поток жидкости разделяется на две части: пограничный слой и внешний поток. Во внешнем потоке преобладают силы инерции, проявление вязкостных силы незамечено. В пограничном слое силы вязкости и инерционные силы соизмеримы.

В виду малой толщины пограничного слоя давление не изменяется. При омывании плоской поверхности неограниченным потоком, когда во внешнем течении скорость постоянна и равна и о, из уравнения Бернулли следует, что во внешнем потоке не изменяется и давление.

Тогда — = 0 и возникает безградиентное течение.

дх

и01

Вводя число Рейнольдса Ке = —, характеризующее соотношение сил инерции и вязко-

V

сти, получим следующее. При Ке << 1, то ё/1 >> 1 в этом случае нет разделение потока на две области, все пространство жидкости охвачено действием сил вязкости. Если Ке >> 1, то 3 << I , т.е. у поверхности тела образуется сравнительно тонкий слой подторможенной жидкости. Тогда для плоского безградиентного стационарного течения вязкой жидкости в пограничном слое у обрабатываемой поверхности можно соответственно записать уравнение движения и уравнение сплошности

дих дих д2ох дих дих Л их—- + и —- = у—2х-, —- + —- = 0 (4)

дх ду ду дх ду

Слой жидкости у обрабатываемой поверхности, в пределах которого температура изменяется от значения, равного температуре поверхности обрабатываемой детали до значения равного температуре жидкости вдали от обрабатываемой поверхности называют тепловым пограничным слоем (рис. 1).

дг

Для области внутри теплового пограничного слоя справедливо условие — Ф 0, а на

ду

внешней границе и вне его — = 0 и г = г0. Таким образом, все изменение температуры жид-

ду

кости сосредоточивается в сравнительно тонком слое, непосредственно прилегающим к обрабатываемой поверхности, толщиной к.

Толщины гидродинамического 3 и теплового к пограничных слоев в общем случае не совпадают - это зависит от рода жидкости и параметров процесса течения и теплообмена.

у

1 4

V1

у' /

/ У

^ у ^^ -

Рис. 1. Изменение температуры в тепловом Рис. 2. Гидродинамический и тепловые погра-

пограничном слое

ничные слои при свободном движении

В случае свободного теплового течения, вызванного разностью плотностей более и менее нагретых частиц жидкости, данное ранее определение пограничных слоев остается справедливым. На рис. 2 приведено распределение температур и скоростей в определенном сечении свободного потока у горячей детали. В данном случае толщины теплового и гидродинамического слоев также могут не совпадать. При свободном тепловом движении (и0 = 0) необходимо учитывать. В этом случае поле скоростей неразрывно связано с полем температур (теплообменом).

Вместе с тем теплоотдача существенно зависит и от режима течения. Течение в пограничном слое может иметь как ламинарный, так и турбулентный характер. При малых значениях х течение в пограничном слое может быть ламинарным. По мере увеличения х толщина пограничного слоя возрастает, слой делается неустойчивым и течение в пограничном слое становится турбулентным.

При турбулентном течении эффективная вязкость, а, следовательно, и скорость диффузии значительно выше, чем при ламинарном течении, что сказывается и на теплоотдаче. Так, на обрабатываемой пластине при ламинарном пограничном слое коэффициент теплообмена а х и0'5, а при турбулентном а х и0'8. При переходе из ламинарного режима течения в турбулентный а х и1'4. Поэтому желательно для увеличения коэффициента теплообмена получать турбулентный или переходной режим течения. Вместе с тем с увеличением скорости потока затраты энергии на преодоление гидравлического сопротивления возрастают.

Наши экспериментальные исследования показали, что максимальные эффект охлаждания достигается при скорости истечения жидкости до 8 м/с. Хотя возможности гидравлических систем современных плоскошлифовальных стаков позволяют подавать СОЖ и со скоростью 15 м/с. Очевидно, что при такой скорости истечения ухудшаются гидроаэродинамические условия взаимодействия потока жидкости с вращающимся шлифовальным кругом и деталью, при этом гарантированной подачи

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком