научная статья по теме ТЕПЛООБМЕН ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ОБТЕКАНИИ ХАОТИЧЕСКИ РАСПОЛОЖЕННЫХ ЦИЛИНДРОВ ЛАМИНАРНЫМ ПОТОКОМ Физика

Текст научной статьи на тему «ТЕПЛООБМЕН ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ОБТЕКАНИИ ХАОТИЧЕСКИ РАСПОЛОЖЕННЫХ ЦИЛИНДРОВ ЛАМИНАРНЫМ ПОТОКОМ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 4, с. 594-600

УДК 621.1.016:536.25

ТЕПЛООБМЕН ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ОБТЕКАНИИ ХАОТИЧЕСКИ РАСПОЛОЖЕННЫХ ЦИЛИНДРОВ ЛАМИНАРНЫМ ПОТОКОМ

© 2004 г. А. П. Можаев

Москва

Поступила в редакцию 16.06.2003 г.

Аналитически исследуется изменение интенсивности теплообмена в системе параллельных, продольно обтекаемых ламинарным потоком тепловыделяющих цилиндров при переходе от упорядоченной структуры к хаотической.

ВВЕДЕНИЕ

Моделирование теплового состояния продольно обтекаемых ламинарным потоком хаотически расположенных цилиндров в стационарном стабилизированном режиме течения допускает аналитическое решение, которое возможно распространить на другие неоднородные проницаемые структуры. Кроме того, представленный анализ может использоваться при расчете компактных теплообменников или активных зон ядерных реакторов в аварийном режиме работы.

УПОРЯДОЧЕННАЯ СИСТЕМА

Для упорядоченной системы (рис. 1а) рассматриваются два варианта теплообмена: с пуазейлев-ским и равномерным (стержневым) профилями скорости охладителя.

Пуазейлевское течение. В работах [1, 2] совместно решались гидродинамическая и теплообмен-ная задачи для упорядоченной системы равномерно нагреваемых цилиндров. Решение было получено в виде быстросходящихся рядов. Определено число Nu для 1.001 < h/dp < 4.0. Показано, что при h/dp > 1.5 любую упорядоченную конфигурацию (треугольную, квадратную, шестиугольную) системы цилиндров можно заменить эквивалентным кольцевым каналом, окружающим цилиндр. Ошибка при расчете числа Nu в этом случае не превышает 5%. Для пористости П справедливо равенство

П ='-271 ( h

(1)

1 = 1- П.

(2)

Несмотря на геометрическую простоту исследуемой ячейки критерий № рассчитывается по очень громоздкой формуле, которая здесь не приводится. Ниже будут графически представлены результаты расчета Ш, полученные в работе [2]. Структура однородная, поэтому среднее значение (Ш) = Ш, средняя пористость П = П. Характерным размером является йр, гидравлический

из которого следует условие существования ячейки с кольцевым каналом: П > 0.6. Размер ячейки ^ определяется соотношением

Рис. 1. Упорядоченная (а) и хаотическая (б) система цилиндров.

2

диаметр для системы стержней при ламинарном течении не применяется [2, 3].

Стержневое течение. Используется ячейка с кольцевым каналом П > 0.6, но с равномерным профилем скорости. На рис. 2 представлена схема ячейки. В работе [4] при исследовании теплообмена в микроканалах приводится обоснование применения стержневого течения для малых Ре. В основном это связано с тем, что для условий с интенсивным влиянием теплопроводности по стержню и теплоносителю конвекция дает относительно небольшой вклад в общий теплоперенос.

Определение критерия № для ячейки на рис. 2 можно проводить обычным методом: решаются простейшие одномерные уравнения переноса тепла отдельно для стержня и жидкости, используются условия сопряжения на границе фаз, теп-лоизолированность внешней границы кольцевого канала и т.д. Но можно рассчитать Ки другим способом, используя ступенчатый характер тепловыделяющих и скоростных полей. В этом методе используется математический формализм внутреннего теплообмена в пористой среде.

Введем характеристическую функцию 0(г):

0( r) =

1, если г находится в жидкой области, 0, если г находится в твердой области.

Тогда уравнение теплопереноса для всей ячейки 0 < г < гI = 2г) имеет вид (направление оси X противоположно вектору скорости)

Рис. 2. Схема тепловой ячейки в однородной структуре параллельных тепловыделяющих цилиндров при стержневом течении охладителя.

1 3^3 п 1 - 0 0 . dt n

ГэГГ Tr J + Г-п qv + п cmdX = 0 (3)

Проинтегрируем уравнение (3), тогда с учетом (4), (5) получим

здесь X = (1 - 0)Х. + 0^; т - удельный расход охладителя; с - удельная теплоемкость; т = ри. Ус. дг

ловие стабилизированного режима - ст-т- = qv.

д х

Граничные условия X^L д r

= 0.

r = 0, r = ri

Уравнение конвективного теплообмена • д t

cm=— = av(t - T). д x

(4)

= 2rdr ff 1 av = r2JX r J11

nr -,2

1 0 - 0 I rdr

-п п

0

(6)

Выражение (6) является аналогом интеграла Лайона (Lyon R.N.) для коэффициента внутреннего теплообмена.

Учитывая, что удельная поверхность цилиндров Sv = 4(1 - n)/dp, av = Sva и Xs > Xg, из (6) имеем

J_ = ln ( 1 - П ) _ J__1 Nu = 4 п2 4П 8.

(7)

r

0

Определение средних температур

r r

T = r2J f-ПTrdr•'' = 2 JnTrdr- (5)

0 0

Согласно [4] при стержневом течении в трубах вычисляемая интенсивность теплоотдачи максимальна, аналогичное утверждение справедливо и для продольного ламинарного обтекания цилиндров.

Рис. 3. К выводу уравнения теплообмена в хаотической системе параллельных цилиндров.

ХАОТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Неоднородность структуры (рис. 16, рис. 3) предполагает использование вероятностных методов для определения средних значений физических величин, в том числе критерия (№).

Постановка задачи. В системе неупорядоченных цилиндров справедливы обычные стационарные уравнения теплообмена

12

10

(Кц)

п

0

0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00

Рис. 4. Интенсивность теплообмена в хаотической и однородной системах цилиндров: штриховые кривые - упорядоченная система, сплошные - хаотическая система, 1 - стержневое течение охладителя, 2 -пуазейлевское течение.

У(срит + q) = , q = -X—т,

(8)

где т - непрерывное температурное поле системы.

Теплопроводность X структуры определяется через характеристическую функцию б(г). Теплообмен стабилизирован, поэтому рассматривается плоская задача и все усреднения проводятся по площади сечения, поля скоростей и тепловыделения являются равномерными, такими же, как при стержневом течении в упорядоченной системе.

Усредним уравнения (8) по кольцу = 2пгАг с центром в любой точке системы (рис. 4), применяя метод усреднения [5]. Толщина кольца Аг < г, но при г > Я0, где Я0 - сколь угодно большой фиксированный радиус, в кольце содержится множество цилиндров. Поэтому из (8) получим

1Э_ Л ¡К

гдгI г дг

Пг д гг 1- Пг

+ сштг- +-т= а„ = 0,

П д х 1-П "

(9)

Условие стабилизированного режима имеет вид

дгг

-СГйТх = ^ ■

(11)

В уравнениях (9)- (11) и на рис. 3 используются следующие величины:

г + Аг 2п

П

= 1 I !0(г'Ф)г^Ф, (12)

г

г 0 г + А г 2п

гг = Пу | |е(г, Ф)т(г, ф)гйгйф, (13)

г0 г + Аг 2п

Тг (1- Пг ) $

П— I |[ 1- е(г, ф)]т(г, ф)гйгйф.(14)

1 - Пг

1 ПТ = г( Тг - гг) ■

(10) Усредненные параметры Хг и г будут определены ниже. Переменные Пг, гг, Тг позволяют вычис-

8

6

4

2

0

г

лить истинные средние значения П(В), г (В), Т (В). Действительно, для Аг < В0 легко показать, что

В 2п

П( В) =

п( В2- В2)

11 0(г, ф)гйгй§ =

Во 0 В

(15)

В2 - В20

| Пггаг,

Во

В 2п

г( В) = —

пП( В)(В2- В2)

П( В)(В2- В2)

110(г, ф)т(г, ф)гйгйф = В*° . (16) | Пггггаг,

Т( В) =

п[ 1- П( В)](В2-В2)

х

В 2п

х 11 [ 1 - 0(г, ф)]т(г, ф)г^ф = (17)

В0

способом, а усреднение проводится на заключительном этапе. Интегрируя (18), получим

= ^I ЯП-1

П 1- Пг, , =- \гаг

ВВ

аг Хгг

+

(19)

+с +с2'

где Сх, С2 - постоянные интегрирования.

Температура цилиндров в кольце Тг определяется из (10)

Тг = гг +

(1-Пг)

, г (1 - П)'

Применяя (15)-(17), определим разность Т (В) -- г (В), используя, где необходимо, интегральную теорему о среднем

qv[ 1- Пг(го)]

т ( в ) - г ( в ) =

(1- П)а г (го)

[ 1- П( В)](В2-В2)

х

[ 1- П( В)](В2-В2)

|( 1 - Пг)Тггйг.

Вг

Х| ЯП -^Г-П] ^ |( 1- Пг) ^

ВВ

аг Хгг

Ясно, почему объектом усреднения выбрано кольцо 8г - в этом случае легко найти средние значения истинных температур цилиндров и охладителя.

Постановка и алгоритм решения задачи следующие: решаются уравнения (9), (10), определяющие температуры гг, Тг, затем по формулам (15)-(17)

находятся средние П(В) г (В), Т(В), вычисляется

разность Т (В) - г (В), которая усредняется по ансамблю для всей плоскости В —► ^ и по которой определяется среднее значение коэффициента внутреннего теплообмена(а^.

Решение задачи. Из уравнения (9) с учетом (11) получим

г дг у г дг) уП 1- П. г

2 С1

В

[ 1- П( В)](В2-В2)

II |( 1-Пг)гаг

аг X г г

Во Во

2 qv

(20)

П( В)(В2- В2)

В

г -П-) гаг |пг гаг

В В В

I ЯПК

аг Хг г

2 С1

В

\

П( В)(В2- В2)

III

Пг гаг

аг X г г

Во Во

где Во < го < В.

При усреднении по пористости, слагаемые с С1 (18) взаимно уничтожаются, поэтому в дальнейшем учитываться не будут. Для удобства вычислений введем следующее обозначение:

Уравнение (18) является стохастическим, потому что Пг является случайной величиной, которая зависит от радиуса г, т.е. случайной функцией. Уравнение (18) будет интегрироваться обычным

П(г) =

2

2 г>2

г - Вп-

Пг га г.

Г I- Г

г

г

г

В

о

о

г

В

В

о

о

+

+

г

В

о

Тогда для двух оставшихся интегралов в (20) получим

2 qv

П(R)(R2 - R)

■ х

ш

И(!

1—rdr I" Пrrdr

1-Ш J

Ro

_ 2qv х

[ 1- П( R)](R2-R2)

Г

1- rdr J( 1- nr) rdr

R

dr Xrr

1 - П

dr Xrr

= (21)

qv

2 П( 1 - П)( R2-R2)

х

2

х

[П( r ) ] - П П (r) - П (R ) П (r) + ПП( R) [1 - П ( R ) ] П ( R)

х

(r2 - R2 )2 dr Xrr

Усредняя (20) с учетом (21) имеем <T(R) -t(R)> = <T(R)> - <t(R)> =

(aF, r>

+

+

qv

2П2(1- П)2(R2- R2)<Xr>

х

(22)

х J(r2-R2)20[П(r)]

1=?/ Mdr r

П)

dr

4( r2- R0)

- согласно [6]. Заметим, что в ра-

< T>-<t> =

2

qv dD

qv

16П( 1- п)<хг> <av, r>'

(23)

ное (10), qv = <av>( < T> - < t>). Поэтому окончательно получаем

1

dD

+

1

<av> 16 П( 1- П)<Хг> <«v, r>'

(24)

Дисперсионный диаметр dD, формально введенный в работе [6] как линейный размер, характеризующий геометрическую дисперсию пористости D[n], приобретает физический смысл - от этого параметра существенно зависит теплообмен в неоднородной проницаемой структуре.

Анализ результатов. Тепловая ячейка в хаотической системе себе подобных занимает всю плоскость в отличие от упорядоченной системы, где ячейка окружает каждый цилиндр.

Для поперечной эффективной теплопроводности (kr> наиболее надежной и распространенной является формула Максвелла-Винера (C. Maxwell-O. Wiener) [7, 8].

Теплопроводность нагревающих цилиндрических включений значительно превышает теплопроводность охладителя Xs > Xg. В этом случае формула Максвелла-Винера им

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