Розділ 2. Природна турбулентна конвекція між вертикальними тепловіддаючими
поверхнями
2.1. Механізм утворення і розвитку природних конвективних потоків між
вертикальними тепловіддаючими поверхнями
Загальна постановка задачі
Потокорозподілення та теплообмін у верхній зоні котельного відділення
теоретично не розглядається у зв’язку з незначним впливом їх характеристик на
формування температурних та швидкісних полів у головному корпусі, а також
складними неупорядкованими течіями над котлами.
Дослідження процесів руху та теплообміну природних потоків між вертикальними
паралельними тепловіддаючими поверхнями [58,114] приводить до виділення у
конвективному потоці за висотою тепловіддаючих поверхонь трьох характерних
ділянок, які розрізняються за характером руху, структурою потоку та
інтенсивністю теплообміну між середовищем та стінками каналу (рис.2.1).
Перша ділянка, або ділянка незалежних пристінних термогравітаційних потоків,
характеризується утворенням і незалежним розвитком двох термогравітаційних
конвективних потоків біля нагрітих стінок вертикального каналу. Зовнішні
границі цих потоків не зливаються одна з одною. На цій ділянці завдяки
неперервному потужному теплообміну із стінками каналу, зміна профілів швидкості
та температури відбувається внаслідок підтікання повітряних мас до пристінних
конвективних потоків шляхом турбулентного масопереносу з ядра потоку, причому
інтенсивність зростання швидкості у пристінних потоках перевищує інтенсивність
розмивання їх шляхом турбулентних пульсацій і максимальна швидкість потоку біля
стінок зростає. Загальна маса повітря по кожному перерізу канала залишається
сталою.
У точці, в якій припиняється зростання максимальної швидкості повітря у
пристінних потоках, внаслідок зрівнення інтенсивності термогравітаційного і
турбулентного переносу, закінчується перша ділянка незалежних
термогравітаційних пристінних потоків і починається друга ділянка – формування.
Другій ділянці притаманна деформація профілів швидкості і температури вздовж
поздовжньої осі Ох. Ця деформація профілів є наслідком того факту, що після
закінчення першої ділянки починається перерозподіл між інтенсивністю
турбулентних пульсацій і впливу термогравітаційних сил у бік інтенсивності
турбулентних пульсацій. В результаті конвективний потік, який має на початку
ділянки профіль швидкості та температуру двох незалежних конвективних потоків,
у кінці ділянки матиме сформований профіль швидкості, притаманний розвиненій
вимушеній турбулентній течії в каналі. З наведеного вище випливає, що на першій
та другій ділянках розвиток потоків суттєво відрізняється.
Нарешті, третя ділянка, або ділянка стабілізованої течії, характеризується
сталістю профілю швидкості на ділянці, або, інакше кажучи, повною незалежністю
характеру профілю швидкості від поздовжньої координати х. На цій ділянці при
граничних умовах першого роду профіль температури теж не залежатиме від
поздовжньої координати х але при граничних умовах другого роду профіль
температур змінюватиметься вздовж поздовжньої координати.
Такий умовний поділ плоского вертикального каналу на ділянки є справедливим для
будь-яких випадків природного турбулентного конвективного руху у вертикальних
плоских каналах з нагрітими поверхнями при співвідношенні висоти і ширини
каналу, достатньому для того, щоб конвективний потік зазнав змін у власній
структурі, характерних для опису трьох ділянок.
Розв’язок задачі про рух і теплообмін конвективного потоку між вертикальними
паралельними поверхнями залежить від багатьох факторів [120]. Тому постановка
цієї задачі обмежена рядом припущень:
1. Розглядається турбулентний режим руху і теплообміну природного конвективного
потоку між вертикальними поверхнями як такий, що найчастіше зустрічається в
інженерній практиці.
2. Рух і теплообмін конвективного потоку вважається таким, що не залежить від
часу, і процес, що досліджується, вважається стаціонарним.
3. Розв’язок задачі розглядається лише за граничних умов першого і другого
роду, тобто відповідно за відомих температур та відомих теплових потоків на
стінках каналу.
4. Довжина каналу приймається як завгодно великою (лінійний розмір у напрямку
осі Оz) а температура поверхонь котлів не перевищує 60°С (нормована 45°С). Тому
не враховується променевий теплообмін між поверхнями котлів та поверхнями
огороджень. Процес руху і теплообміну в каналі, що розглядається,
трансформується у двомірну плоску задачу, в якій величини, що кількісно
характеризують процес, залежать від поздовжньої х і поперечної у координат.
5. Масові витрати повітря по всій висоті каналу залишаються сталими.
6. Теплофізичні властивості середовища, яке рухається у вертикальному каналі,
вважаються сталими, незалежними від поздовжньої координати х. Це обмеження
виправдане відносно малими змінами температури повітря між вертикальними
поверхнями.
7. Вхід середовища у канал і вихід з нього - вільні (відстань каналу від
верхнього і нижнього перекрить значно більша за його ширину).
2.2. Вихідні рівняння руху та теплообміну за природної конвекції між
вертикальними тепловіддаючими поверхнями
Вихідні рівняння поблизу примежового шару. Природний конвективний турбулентний
рух ньютонівського середовища у вертикальному плоскому каналі і його обмін із
стінками досить повно описується рівняннями руху Нав’є-Стокса, енергії або
конвективного переносу тепла Фур’є-Кірхгофа та неперервності [107], записаними
у наближенні теорії примежового шару:
; 12233
; 445
. 657
Рівняння руху (2.1) відрізняється від аналогічного рівняння, що опис
- Київ+380960830922