Тепловіддача у випадку зовнішнього обтікання циліндричної поверхні
Мета роботи дослідити локальні й середній коефіцієнти тепловіддачі по периметру циліндра, який перебуває в поперечному потоці рідини за різних кутів атаки, і одержати критеріальне рівняння тепловіддачі.
6.1. Основні теоретичні положення
Обмивання циліндра поперечним потоком рідини характеризується тим, що, коли значення критерію Рейнольдса Rе < 5, відбувається обмивання в умовах ламінарного руху, а коли Rе > 5, настає утворення вихрової доріжки в кормовій частині циліндра, що пояснюється відривом суміжного шару внаслідок зростання тиску вздовж потоку й сповільнення руху рідини твердою стінкою [1; 2].
Своєрідний характер обмивання циліндра впливає на тепловіддачу, яка дуже змінюється по колу циліндра. У лобовій частині утворюваний ламінарний суміжний шар лімітує тепловіддачу, інтенсивність якої зменшується із збільшенням товщини суміжного шару. З кормового боку виниклі завихрення приводять до більш інтенсивної тепловіддачі. Складність характеру обмивання й зміни тепловіддачі по колу циліндра викликає значні труднощі теоретичного вирішення [3].
Середній по колу коефіцієнт тепловіддачі можна знайти за критеріальним рівнянням:
, /6.1/
одержаним на основі подібності [3; 5]. Тут як визначальний розмір беруть зовнішній діаметр циліндра; швидкість відноситься до найвужчого поперечного перерізу каналу, стисненого циліндром.
Визначальною температурою є середня температура рідини. Величину 
вибирають за середньою температурою поверхні циліндра.
Відомо, що на інтенсивність тепловіддачі впливає кут між напрямком потоку і віссю циліндра /кут атаки 
/. Його вплив враховується поправкою 
. Значення середньої інтенсивності тепловіддачі при цьому визначається виразом
,
де 
– середні коефіцієнти тепловіддачі відповідно, коли 
і 
.
Зокрема, для кутів 
, 
, 
і металічних поверхонь за даними [5] значення відповідно дорівнюють 0,67; 0,88; 0,98.
6.2. Опис установки
Установка /рис. 6.1/ складається з циліндра 1 з електронагрівником 2 всередині і шістьома термопарами 6 на поверхні. Термопари розміщено рівномірно по довжині й периметру циліндра. Циліндр поміщено в корпус 3, до якого через колектор 5 підводять воду по трубах з регулюючими вентилями 4 і розміщеними під різними кутами до осі досліджуваного циліндра соплами.
Корпус має вікна з оргскла для візуального дослідження процесі. Потужність нагрівників регулюють ЛАТРом 12 і вимірюють ватметром 11. на вході в корпус і на виході з нього поміщено термометри 7 для вимірювання температури води. Для реєстрації температури циліндра призначено потенціометр 13. Температуру води в термостаті 8 регулюють контактним термометром, а витрати води вимірюють витратоміром 10.
Циркуляцію води в системі здійснює насос 9.
6.3. Порядок проведення дослідів
Перед проведенням дослідів за схемою перевірити гідравлічну, електричну й вимірювальну мережі. Увімкнути нагрівачі термостата й циліндра, встановивши температуру води й потужність нагрівника циліндра за вказівкою викладача. Добитися термостатування поверхні труби й води. Відкрити вентилі за колектором і перед ним і встановити витрату води. Зняти покази всіх термопар, термометрів на вході й виході з корпуса, ватметра, витратоміра і внести до табл. 6.1.
Досліди для встановленого кута атаки провести при трьох різних значеннях потужності теплового потоку нагрівника циліндра.
Таблиця 6.1
| Но- мер дос- ліду | | Q Вт | Но-мер ви-міру | Значення температур по периметру циліндра, 0С | V м3/с |  , 0С |  , 0С | |||||
| Сере- дній |
6.4. Порядок обробки результатів дослідів
За трьома вимірами кожної величини обчислюють її середнє значення.
Для кожного значення встановленої потужності теплового потоку потрібно:
1/ побудувати графік розподілу температури циліндра по периметру;
2/ визначити середню температуру поверхні по довжині циліндра
, /6.2/
де 
– кількість точок вимірювання;
3/ визначити середню температуру потоку:
; /6.3/
4/ визначити локальні коефіцієнти тепловіддачі по периметру:
, /6.4/
де 
– тепловий потік, Вт; 
– площа поверхні циліндра, м2; 
; 
– відповідно діаметр і довжина циліндра, 
= 0,06 м; 
= 0,22 м; 
–локальний перепад температур;
5/ побудувати графік розподілу інтенсивності тепловіддачі по периметру труби
, /6.5/
де 
– кут розміщення термопар на поверхні циліндра;
6/ визначити середній перепад температур між стінкою і рідиною
; /6.6/
7/ визначити середній коефіцієнт тепловіддачі
; /6.7/
8/ визначити критерій Нуссельта
, /6.8/
де 
;
9/ визначити швидкість потоку у вузькому місці
, /6.9/
де 
– живий переріз у вузькому місці, м2, 
; 
- висота корпусу, = 0,15 м.
10/ визначити критерій Рейнольдса
, /6.10/
де значення 
.
За значеннями 
і 
вибрати значення 
і 
.
Дані розрахунків внести до табл. 6.2.
Таблиця 6.2
| № п/п | |  |  | |  | / |
Дослідні точки нанести на графік у координатах
.
Через точки провести апроксимуючу криву.
За дослідною кривою встановити аналітичний вираз для функції
, /6.11/
де 
і – сталі, які визначають з графіка.
6.5. Контрольні запитання
1. Особливість поперечного обтікання циліндрів.
2. Як змінюється інтенсивність тепловіддачі по периметру?
3. Причини впливу кута атаки на інтенсивність тепловіддачі.
4. візуальна картина потоку.
5. Причина завихрення в кормовій частині циліндра.
6. Як визначити витрату теплоносія в процесі поперечного обтікання?
7. Як одержати критеріальну залежність і на які явища її поширити?
8. Порівняння графічних залежностей зміни температури та інтенсивності тепловіддачі по периметру циліндра.
9. Мета обробки дослідних даних у критеріальному вигляді.
6.6. Техніка безпеки
1. Перед увімкненням оглянути установку й ретельно перевірити за схемою гідравлічне, електричне й вимірювальне кола.
2. Збільшення витрати теплоносія через вимірювальний вузол робити поступово, запобігаючи різкому відкриванню й закриванню регулюючих вентилів.
3. Установка має бути заземлена.
4. Заборонено залишати установку ввімкненою без нагляду.
5. Вмикаючи установку, треба спочатку ввімкнути систему циркуляції теплоносія і тільки потім нагрівник і прилади.
6. Після закінчення роботи треба знеструмити установку.