95 Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М., «Энергия», 1972.
344 с. с ил.
В книге рассматриваются некоторые консервативные свойства пристенного турбулентного пограничного слоя. Вводится понятие идеального турбулентного пограничного слоя с вырожденной вязкой областью, анализируются его свойства и излагается теория предельных законов трения и теплообмена на поверхности тел, обтекаемых потоком при числах Re-юо. Исследуются проблемы, возникающие при переходе к конечным числам Рейнольдса. Теория сопоставляется с многочисленными опытными данными. Приводятся примеры практических приложений.
Книга предназначена для специалистов в области физической гидроаэродинамики и теории конвективного тепломассообмена.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Турбулентное течение является наиболее распространенным видом движения жидкости, газа и плазмы. Тем не менее только после классического исследования О. Рейнольдса стала ясна хотя бы в самых общих чертах суть этого явления и постепенно была осознана значимость турбулентности как в явлениях природы, так и в различного рода технологических процессах.
В настоящее время теория турбулентности все еще остается одной из наиболее фундаментальных и наименее разработанных проблем физической механики.
Идеи Л. Прандтля, К. Тейлора и А. Н. Колмогорова о существовании некоторых внутренних масштабов турбулентности позволили создать полуэмпирические методы, являющиеся пока единственно оправдавшим себя способом распространения эмпирических сведений в этой области за непосредственные рамки- экспериментальных данных.
Наибольшие трудности возникают при рассмотрении пристенной турбулентности, т. е. турбулентного течения около твердого тела.
Два обстоятельства являются здесь главными: первое — значительная неоднородность структуры потока и полей его осредненных (во времени) параметров; второе — существование в непосредственной окрестности твердой поверхности области течения с безусловным преобладанием молекулярного трения.
Турбулентный пограничный слой, как и всякая устойчивая статистическая система, обладает некоторыми весьма консервативными свойствами, на значимость которых для развития теории и практических методов расчетов до недавнего времени не обращали должного внимания.
.ч
Наиболее устойчивы законы пристенной турбулентно^ сти в непосредственной окрестности твердого тела, но вне вязкой области.
Изменение условий на твердой поверхности существенно сказывается на вязкой части течения, а изменение условий в невозмущенном потоке — на течении во внешней области турбулентного пограничного слоя.
Весьма важное значение имеет также то обстоятельство, что размеры вязкой области убывают с уменьшением вязкости быстрее, чем размеры всего турбулентного пограничного слоя. В связи с этим можно рассматривать некоторый идеальный турбулентный поток с вырожденным вязким подслоем. Замечательно, что в таком пограничном слое интегральные характеристики переносов количества движения, тепла и массы решающим образом определяются свойствами консервативной части турбулентного ядра и их относительные изменения под влиянием возмущающих факторов (градиент давления, сжимаемость, температурная неоднородность, проницаемость твердой поверхности, физико-химические превращения и т. п.) «е зависят от эмпирических констант и не связаны с каким-либо специальным типам полуэмпирических, теорий.
В предлагаемой книге излагаются основы теории турбулентного пограничного слоя с исчезающей вязкостью и методы ее приложения -к расчетам реальных течений, а также рассматриваются предельные свойства теплового пограничного слоя, набегающего на адиабатическую поверхность, взаимодействие затопленной струи и твердого тела и некоторые другие проблемы тепловых завес. Таким образом, в данной монографии рассматриваются далеко не все вопросы теории турбулентного пограничного слоя, а в основном только результаты, полученные на основе напра!вления, развиваемого авторами.
Предполагается, что читатель достаточно хорошо знаком с основами современной теории пограничного слоя-и теории конвективного тепломассообмена.
Мы в высшей степени признательны своим коллегам по .Институту теплофизики и ИВТ АН СССР, особенно Э. П. Волчкову и Б. П. Миронову, принимавшим непосредственное участие в разработке этих новых идей и внесшим большой творческий вклад в их развитие.
Б. С. Петухову и В. Д. Виленскому мы обязаны многими ценными замечаниями и советами.
Авторы
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие.............. 3
Основные обозначения........... 5
ЧАСТЬ ПЕР В. А Я
ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОИ С ИСЧЕЗАЮЩЕЙ ВЯЗКОСТЬЮ
Глава первая. Динамический пограничный слой ... 9
1-1. Уравнения движения плоского пограничного слоя . 9
1-2. Интегральное соотношение импульсов .... 11
1-3. Турбулентное трение в окрестности стенки ... 14
1-4. Логарифмический профиль скоростей . . . . 16
1-5. Квадратичный закон трения в ядре турбулентного 17
пограничного слоя ..........
1-6. Аппроксимация профиля касательных напряжений . 19
1-7. Отрыв и оттеснение пограничного слоя .... 23 1-8. Профиль скоростей в окрестности непроницаемой
стенки при градиенте давления....... 25
1-9. Профили скоростей на пластине и в трубе при течении несжимаемой жидкости....... 25
1-10. «Логарифмический» пограничный слой .... 28
1-11. Степенные профили скоростей....... 29
1-12. Пристенная турбулентность у шероховатой поверхности . ......... . 31
Глава вторая. Тепловой и диффузионный пограничные
слои............... 32
2-1. Дифференциальные уравнения энергии и диффузии 32 2-2. Подобие полей энтальпий^ концентраций и скоростей 35 2-3. Энтальпийный фактор в пограничном слое газа . . 37 2-4. Интегральные соотношения -энергии и диффузии . 40 2-5. Аппроксимация распределения тепловых и диффузионных потоков чо сечению пограничного слоя . 43 2-6. «Логарифмический» тепловой и диффузионный пограничные слои........... 44
Глава третья. Пограничный слой с исчезающей вязкостью 46
3-1. Вырождение вязкого подслоя ........ 46
3-2. Вырождение пульсаций плотности...... 47
3-3. Относительный закон сопротивления..... 48
3-4. Относительный закон теплообмена..... 49
339
3-5. Относительный закон массообмена ... г„
3-6. Распределение скоростей, температур и концентраций по сечению турбулентного пограничного слоя при больших числах Рейнольдса..... Г)|
Глава четвертая. Предельные относительные законы трения и теплообмена при продольном обтекании непроницаемой пластины потоком газа.......- ;
4-1. Предельный закон трения для- неизотермического
пограничного слоя на плоской пластине .... 53
4-2. Распределение скоростей в неизотермическом пограничном слое на пластине при больших значениях критерия Рейнольдса . ...... 58
4-3. Предельные законы теплообмена для неизотермического пограничного слоя на плоской пластине . . 61
4-4. Предельный закон трения для неизотермического пограничного слоя диссоциированного газа на плоской пластине...........63
Глава пятая. Турбулентный пограничный слой на проницаемой поверхности..........67
5-1. Предельные законы трения и тепломассообмена на проницаемой пластине . . . . .....
5-2. Вдув однородного газа в изотермических условиях
5-3. Вдув однородного газа в неизотермических условиях .......I......
5-4. Вдув однородного газа в сверхзвуковой поток .
5-5. Вдув инородного газа.........
5-6. Предельный закон трения для неизотермического пограничного слоя диссоциированного газа на плоской проницаемой пластине .........
5-7. Предельные законы теплообмена и массообмена для турбулентного пограничного слоя на проницаемой пластине ............
Глава шестая. Влияние продольного градиента давления на предельные законы трения, теплообмена и массообмена ..............
6-1. Предельные параметры отрыва изотермического пограничного слоя на непроницаемой поверхности
6-2. Закон трения для изотермического пограничного слоя на непроницаемой поверхности при dwo/dx=?0
6-3., Закон теплообмена в диффузорной области квази-
' изотермического турбулентного пограничного слоя
на непроницаемой стенке........
6-4. Влияние неизотермичности на параметры отрыва турбулентного пограничного слоя от непроницаемой поверхности............
6-5. Совместное влияние продольного градиента давления и поперечного потока вещества.....
340
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
I
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ АСИМПТОТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ
Глава, седьмая. Пограничный слой на непроницаемой поверхности .............114
7-1. Влияние конечных чисел Рейнольдса на относительные законы трения, теплообмена и массообмена на непроницаемой пластине........114
7-2. Решение интегральных соотношений импульсов и энергии для турбулентного пограничного слоя на непроницаемой поверхности...... . . 132
7-3. Консервативность закона теплообмена к изменению
граничных условий на стенке......144
7-4. Трение и теплообмен при течении газа в начальном участке цилиндрической трубы с непроницаемыми станками.............155
7-5. Трение и теплообмен при стабилизированном течений газа в цилиндрической трубе с непроницаемыми стенками............170
7-6. Турбулентный пограничный слой газа в канале
МГД-генератора..........178
7-7. Примеры расчета турбулентного пограничного слоя
на непроницаемой поверхности......184
Глава восьмая. Турбулентный пограничный слой газа на
проницаемой поверхности.........198
8-1. Сопоставление предельных относительных законов трения, теплообмена и массообмена на проницаемой пластине с опытами . . .......198
8-2. Критические параметры вдува . . . ... . . 203
8-3. Учет влияния конечного числа Рейнольдса на законы трения и теплообмена на проницаемой поверхности ...........'. . .,211
8-4. Решение уравнений импульсов и энергии на проницаемой поверхности слабой кривизны ..... 218
8-5. Турбулентный пограничный слой на проницаемой поверхности при наличии химических реакций .
8-6. Турбулентный пограничный слой в начальном участке трубы в условиях неизотермичности и вдува . 240
8-7. Течение газа в длинной трубе с пористыми стенками 251
Глава девятая. Эффективность -газовых завес ... . 253
f * 9-1. Эффективность газовой завесы на плоской стенке
в квазиизотермических условиях . . . . . . 253
9-2. Газовая завеса, создаваемая вдувом газа через пористый участок...........261
9-3. Газовая завеса, создаваемая вдувом охлаждающего
газа через щель..........266
341
232 240
9-4. Многощелевой вдув охлаждающего газа .... 272
9-5. Эффективность газовой завесы на шероховатой
стенке.............277
9-6. Конвективный теплообмен при наличии газовой завесы ..............278
9-7. Эффективность газовой завесы и теплообмен на химически реагирующей поверхности при тангенциальном вдуве -в пограничный слой инертного газа . . 283
9-8. Пристенная турбулентная струя при WS/WQ^ 1 . . 292
Приложение..............302
Литература..............331
Цена: 150руб.
