Вплив шорсткості на теплообмін і тертя

На практиці доводиться вивчати теплообмін тіл різної геометрії, вибирати оптимальну форму поверхні при обтіканні тіла гіперзвуковим потоком газу, а також знаходити розподіл теплового потоку по поверхні. Відповідний аналіз проводиться шляхом вирішення тієї ж системи рівнянь збереження маси, кількості руху, енергії, нерозривності кожної компоненти й рівняння стану. Розрахунок розподілу теплових потоків по поверхні тіла довільної геометрії є більш складним завданням, ніж аналіз теплообміну в околиці точки гальмування. Існує кілька шляхів вирішення подібних завдань: інтегральні методи, метод розкладання в ряди, метод «локального подібності» та чисельні методи. У разі обтікання сфери рівноважно дисоційованому гіперзвуковим потоком повітря і за відсутності випромінювання мається проста залежність, добре описує розподіл теплового потоку.

В околиці точки гальмування максимум ентальпії припадає на зовнішню межу прикордонного шару. На бічній поверхні тіла потік над пограничним шаром холодніше, ніж в його внутрішніх шарах, де температура газу підвищується за рахунок дисипації енергії руху та виділення тепла. Максимум температури повинен бути на теплоізольованої поверхні самого тіла. Тим самим виникає потреба запровадження так званої ентальпії відновлення. При числі, відмінному від одиниці, ентальпія відновлення не відповідає ентальпії адіабатично загальмованого потоку. Чим вище число обсягу газу, тим ближче ентальпія відновлення, оскільки відвід тепла і конвективное охолодження стінки газом зменшуються при збільшенні в'язкості (більше товщина прикордонного шару) і теплоємності (повільніше падає температура газу), а також при зменшенні теплопровідності газу. Аналіз показує, що за визначальну ентальпію при розрахунку теплообміну на бічних поверхнях повинна братися не ентальпія гальмування, а ентальпія відновлення. У деяких випадках тепловий потік в стінку дорівнює нулю.

З цих співвідношень випливає, що на нагрівання поверхні витрачається не вся кінетична енергія спрямованого руху газового Необхідно відзначити, що у півсфери максимум нагріву спостерігається в точці гальмування лише при ламінарному прикордонному шарі. Якщо відбувається перехід до турбулентного плину, то максимальна інтенсивність конвективного теплового потоку має місце в «звуковий» точці, тобто в точці дотику звуковий лінією контуру тіла. Остання обставина пов'язана з максимумом масової швидкості газового потоку в звуковий точці. Перехід ламінарного прикордонного шару в турбулентний відбувається при критичному значенні числа Рейнольдса.

11 липня 2012

Джерело: www.stroysovet.ru