Сопряженный теплообмен непрерывных тел, движущихся через теплоноситель тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Введение

Глава I. Обзор литературы и постановка задач исследования

1.1. Физическая модель.

1.2. Гидродинамический пограничный слой на непрерывной движущейся поверхности.

1.2Л. Пограничный слой на непрерывной пластине, движущейся через неподвижную среду

1.2.2. Более общие случаи решения уравнений пограничного слоя на непрерывной движущейся поверхности

1.2.3. Пограничный слой на частично подвижной поверхности

1.3. Теплообмен непрерывных движущихся материалов с окружающей средой.

1*3.1. Теплообмен при Tc = c*?«s-t , ^

1.3.2. Другие случаи теплообмена непрерывной движущейся поверхности с окружающей средой при

Тс. в const . •

1.3.3. Теплообмен непрерывных движущихся тел при неоднородном распределении температуры поверхности

1.3.4. Сопряженные задачи конвективного теплообмена непрерывных движущихся тел.

Глава П. Теплообмен в ламинарном пограничном слое на непрерывней движущейся поверхности.

2.1. Точное решение уравнений теплового пограничного олоя при произвольном распределении температуры на непрерывней движущейся поверхности

2.2. Интегральная форма обобщенной функциональной связи между ^ и tt.

2.3. Теплообмен непрерывной движущейся неизотермической поверхности при Pr« i и Рг» I

2.4. Обращение теплового потока

2.4.1, Линейный закон изменения температурного напора

2.4.2. Расчет теплообмена в пограничном слое на поверхности вальцевого кристаллизатора

2.5. Точное решение уравнений теплового пограничного слоя при произвольном распределении плотности теплового потока на непрерывной движущейся поверхности.

2.6. Функция влияния в случае произвольного распределения теплового потока на непрерывной движущейся поверхности.

Глава Ш. Сопряженный теплообмен непрерывной движущейся полосы с окружающей средой в стационарных условиях.

3.1. Сведение сопряженной задачи к эквивалентной задаче теплопроводности. Вывод основных уравнений

3.2. Численное решение уравнения теплопроводности с обобщенным граничным условием.

3.3. Сопряженный теплообмен непрерывной движущейся полосы постоянной толщины

3.4. Особенности расчета сопряженного теплообмена непрерывных движущихся тел переменной толщины

3.5. Общий анализ влияния неизотермичности на сопряженный теплообмен.

Глава IУ. Теплообмен при формовании полимерных пленок.

4.1. Теплообмен при охлаждении полиэтиленовой пленки в ванне с водой.

4.2. Расчет теплового состояния полиэтиленовой пленки в приближении термически тонкого тела ш

4.3. Теплообмен в зоне формообразования в процессе производства рукавной пленки.

Расчет гидродинамики и теплообмена при обтекании непрерывно движущихся тел представляет интерес для многих отраслей народного хозяйства, Такие задачи возникают, в частности, при разработке систем управления пограничным слоем, при проектировании ленточных транспортных систем /9/, технологических процессов в текстильной, бумагоделательной и химической промышленности. Оптимизация условий теплообмена в таких, например, процессах, как получение синтетических пленок и волокон, прокатка металлов, производство стекла, проволоки, непрерывная сварка движущейся полосы металла /3/ позволяет влиять не только на интенсификацию процесса производства, но и на качество продукции.

Исследования теплообмена непрерывных движущихся материалов с окружающей средой широко ведутся в настоящее время экспериментальными и теоретическими методами. В ряде работ /79, 83, 84/ показано принципиальное отличие задач гидродинамики и теплообмена непрерывных движущихся материалов от подобных задач при обтекании тел теплоносителем, что не позволяет переносить результаты, полученные при исследовании теплообмена обтекаемых тел, на случай непрерывно движущихся.

Большинство работ, посвященных исследованию теплообмена движущейся поверхности с окружающим теплоносителем, выполнено в приближенной постановке. В них не рассматривалось взаимное влияние температурных полей в жидкости и движущемся теле, задачи теплообмена решались при априорно заданных на поверхности раздела граничных условиях I, П или Ш рода. Эти решения лишь качественно описывают некоторые закономерности теплообмена и не дают достаточно точной количественной информации о локальных значениях температур и тепловых потоков на движущейся поверхности.

В реальных технологических процессах поверхность непрерывно движущихся тел существенно неизотермична. В работах /18, 40, 41, 22/ показано, что в этом случае неизотермичность оказывает намного большее влияние на теплообмен, чем в случае обтекаемых тел. Поэтому использование результатов решения задач теплообмена при граничных условиях I, П и Щ-го рода для проектирования и создания различных теплообменных устройств без учета влияния неизотермич-ности может привести к значительным ошибкам. Учесть влияние не-изотермичности можно лишь при постановке и решении задач конвективного теплообмена как сопряженных.

Настоящая работа посвящена исследованию теплообмена неизотермических непрерывных движущихся тел с окружающей средой при стационарном режиме теплообмена в сопряженной постановке задач. Она является продолжением исследований теплообмена неизотермических тел, проводимых в течение ряда лет в Институте технической теплофизики АЕ УССР. Для решения сопряженных задач применен и развит эффективный метод, основанный на использовании аналитического решения уравнений пограничного слоя для произвольно изменяющейся температуры непрерывной движущейся поверхности, позволяющий свести сопряженную задачу к решению эквивалентной задачи теплопроводности для твердого тела с обобщенным граничным условием /23/.

Установленные в работе закономерности теплоотдачи и сопряженного теплообмена, предложенные и развитые методы решения задач позволяют значительно повысить точность и надежность расчетов и могут быть использованы в исследованиях, при анализе различных теплообменных процессов, а также в инженерно-конструкторской работе для решения конкретных практических задач.

К настоящему времени полученные в работе результаты использованы: I/ в УкрНИИхиммаше /г.Харьков/ для определения локальных значений коэффициентов теплоотдачи и тепловых потоков между жидкой и твердой фазами при кристаллизации расплавов на движущейся поверхности вальцевого кристаллизатора; 2/ в ОБПО "Пластполимер" /г.Ленинград/ - для выдачи исходных данных на проектирование промышленной установки для получения высокопрочных ориентированных полимерных пленок по новой технологии; 3/ в УкрНИИпластмаше /г.Киев/ - при расчете и проектировании промышленных линий для производства рукавной пленки из полиэтилена.

7. Результаты работы использованы: в ОНПО "Пластполимер", г.Ленинград; УкрНИИхиммаш, г.Харьков, УкрНИЙпластмаш, г.Киев.

1. Антонюк Р.А. Экспериментальное исследование профиля скоростей в пограничном слое на частично подвижной поверхности. Гидромеханика, 1975, $ 32, с.87-89.

2. Антонюк Р.А., Мхитарян A.M. Ламинарный пограничный слой на частично подвижной поверхности. Гидромеханика, 1972, № 22, с.53-64.

3. Бажанов В.Л. Расчет температурного поля в подвижной конвективно охлаждаемой тонкой пластине. В кн.: Теплофизика и оптимизация тепловых процессов. Выпуск I. Куйбышев, 1975, C.II3-II6.

4. Боровский В.Р., Шелиманов В.А., Кутшцева В.А. Тепловой пограничный слой на движущейся поверхности при вынужденной и свободной конвенциях. Докл. АН УССР. сер.А, 1979, В 3, с.212-214.

5. Боровский В.Р., Шелиманов В.А., Кутищева В.А. Ламинарный пограничный слой на движущейся поверхности при совместном действии свободной и вынужденной конвенций. Докл. АН УССР. сер.А, 1979, & 2, с.137-140.

6. Борисова Н.Г., Кашкаров В.П. Смешанная конвекция в ламинарном пограничном слое на непрерывной движущейся поверхности. 4.1 Изотермическая поверхность. В кн.: Теплофизика газов и жидкостей. Алма-Ата, 1980, с.36-42.

7. Борисова Н.Г. Смешанная конвекция в ламинарном пограничном слое на непрерывной движущейся поверхности. В кн.: Теплофизика газов и жидкостей. Алма-Ата, 1980, с.42-45.

8. Всесоюзный семинар "Обратные и сопряженные задачи тепломассообмена" /Киев, 24-26 октября 1979 г./ Тез.докл. Сопряженная задача теплообмена непрерывной движущейся плоской пластины с окружающей средой. Киев: 1979, c.IO-II.

9. Граборник С.Я., Ляхов В.К. Интегро-дифференциальное уравнение пограничного слоя движущейся поверхности. Тольятти, 1979. -5с.- Рукопись представлена Тольяттин.политехи.ин-том. Деп. в ГОСИНТИ 9 апр. 1979, № 17-79.

10. Гречанный О.А. Течение и теплообмен в пограничном слое с фиксированным началом на движущейся поверхности эластичной пластины. В кн.: Теплопроводность и конвективный теплообмен. Киев, 1977, с.30-33.

11. Гречанный О.А., Дорфман А.Ш. Влияние внешних течений на теплообмен в пограничном слое непрерывно движущейся пластины. Теплофизика и теплотехника, 1977, вып.33, с.30-33.

12. Гречанный О.А. Сопряженный теплообмен в пограничном слое непрерывно движущейся остывающей пластины. Киев, 1977. - 22 с. Рукопись представлена Институтом технической теплофизики. Деп. в ВИНИТИ 10 марта 1977, № 877-77.

13. Гречанный О.А. Сопряженный теплообмен в пограничном слое непрерывно движущейся остывающей пластины. Киев, 1977. - 19 с. ^Рукопись представлена Институтом технической теплофизики. Деп. в ВИНИТИ 10 марта 1977, В 876-77.

14. Гречанный О.А. Теплообмен при продольном обтекании цилиндрических и плоских движущихся неизотермических поверхностей. -Дис.канд.техн.наук. Киев, 1976. - 169 с.

15. Градштейн И.О., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Наука, 1971. - I108 с.

16. Годовский Ю.К. Теплофизика полимеров. М.: Химия, 1982. - 280 с.

17. Деч Г. руководство к практическому применению преобразования Лапласа. М.: Наука, 1965. - 287 с.

18. Дорфман А.Ш. Теплоотдача и сопряженный теплообмен неизотермических тел. Дис.докт.техн.наук. - Киев, 1978. - 404 с.

19. Дорфман А.Ш. Точные решения уравнений теплового пограничного слоя при произвольном распределении температуры обтекаемой поверхности. Теплофизика высоких температур, 1971, т.9, № 5, с.955-964.

20. Дорфман А.Ш. Точное решение уравнений теплового пограничного слоя при произвольном распределении температуры обтекаемой поверхности и числе Прандтля . Теплофизика и теплотехника, 1972, вып.21, с.58-63.

21. Дорфман А.Ш. Функция влияния необогреваемого участка и связь метода суперпозиции с методом разложения решений в ряды по формпараметрам. Теплофизика высоких температур, 1973, т.П, JG I, с.99-105.

22. Дорфман А.Ш., Новиков В.Г. Теплообмен непрерывной движущейся пластины с окружающей средой. Теплофизика высоких температур, 1980, т.18, № 6, с.1203-1210.

23. Дорфман А.Ш. .Теплообмен при обтекании неизотермических тел. М.: Машиностроение, 1982. 192 с.

24. Дэнберг, Фэнслер. Автомодельные решения отрывного типа на плоских движущихся поверхностях. Ракетная техника и космонавтика, 1975, т.13, № I, с.144-146.

25. Дьяченко В.Ф. Основные понятия вычислительной математики.- М.: Наука, 1972. 120 с.

26. Елисеев В.Н. 0 построении многопараметрического решения в области внезапного ускорения ламинарного пограничного слоя.- Прикладная механика, 1975, т.П, J6 6, с.101-108.

27. Журбин С.В., Сергиевский Э.Д. 0 теплообмене при обтекании подвижной поверхности. Труды Московского энергетического института, 1980, № 491, с.98-103.

28. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Наука, 1971. - 576 с.

29. Кэйс В.М. Конвективный тепло- и массообмен. М.: Энергия.- 448 с.

30. Кикудзи Томода. Теплообмен при непрерывном вводе пластины в поток жидкости. Кикай - но кэнкю, 1976, т.28, $ 3, с.384-388.

31. ЛоЁцянский Л.Г. Ламинарный пограничный слой. М.: Наука, 1962. - 480 с.

32. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.- 560 с.

33. Лыков А.В., Перельман Т.Л. О нестационарном теплообмене между телом и обтекающем его потоком жидкости. В кн.: Тепло- и массообмен тел с окружающей газовой средой. Минск, 1965, с.3-24

34. Лыков А.В., Перельман Т.Л. Вопросы нестационарного теплообмена мевду телом и обтекающем его потоком жидкости. В кн.: Тепло- и массоперенос. т.6. Минск, 1966. с.63-85.

35. Лукач Ю.Е., Петухов В.А., Сенатос В.А. Оборудование для производства полимерных пленок. М.: Машиностроение, I981.- 222 с.

36. Майрелс, Кинг. Решения с помощью рядов для ламинарного пограничного слоя в ударной трубе и времени работы ударной трубы. Ракетная техника и космонавтика, 1966, т.4, №5, с.20-29

37. Мейджер. Внезапное ускорение ламинарного пограничного слоя движущейся лентой. Ракетная техника и космонавтика, 1969, т.7, $ 12, с.70-78.

38. Мхитарян A.M., Антонюк Р.А. Исследование ламинарного пограничного слоя на непрерывно движущейся гладкой поверхности с учетом теплопередачи. В кн.: Самолетостроение и техники воздушного флота, 1972, вып.29, с.14-22.

39. Новиков В.Г. Теплоотдача непрерывной поверхности, движущейся через неподвижную среду. В кн.: теплообмен в трубах и каналах. Киев, 1978, с.33-38.

40. Новиков В.Г. Тепловой пограничный слой на непрерывной движущейся пластине, помещенной в поток жидкости. В кн.: Исследование процессов тепло- и массопереноса. Киев, 1979, с.23-30.

41. Прандтль Л. Гидроаэромеханика. М.: Иностранная литература, 1951. - 575 с.

42. Пономаренко В.Г., Бей В.Н., Ткаченко К.Г., Потебня Г.Ф. Экспериментальное исследование кристаллизации расплавов органических веществ. Промышленная теплотехника, 1980, т.2»№ I, с.20-24.

43. Родес, Каминер. Ламинарный тепловой пограничный слой на движущихся поверхностях. Ракетная техника и космонавтика, 1972, т.10, & 3, с.138-139.

44. Родес, Каминар. Ответ авторов Эйкхоффу. Ракетная техника и космонавтика, 1973, т.II, №6, с.161.

45. Рудерман Я.Л. Ускорение ламинарного пограничного слоя на частично подвижной поверхности. Вестник Московского университета, 1976, № 6, с.90-98.

46. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем. М.: Наука, 1971- 552 с.

47. Сычев Вик.В. 0 некоторых особенностях в решениях уравнений пограничного слоя на подвижной поверхности. Прикладная математика и механика, 1980, т.44, № 5, с.831-838.

48. Фэнслер, Дэнберг. Применение интегральной теории для расчета развития пограничного слоя на движущихся стенках. Ракетная техника и космонавтика, 1976, т.14, № 8, с.176-178.

49. Фэнслер, Дэнберг. Исследование отрыва пограничного слоя на движущихся поверхностях при помощи интегрального метода. Ракетная техника и космонавтика, 1977, т.15, № 2, с.172-174.

50. Чжень Муцоглу. Эффекты архимедовой силы в пограничных слоях на наклонных непрерывных перемещающихся поверхностях. Теплопередача, 1980, № 2, с.218-221.

51. Черный Г.Г. Ламинарное движение газа и жидкости в пограничном слое с поверхностью разрыва. Известия АН СССР. Отделение технических наук, 1954, № 12, с.38-67.

52. Черный Г.Г. Пограничный слой на пластине с подвижной поверхностью. ДАН СССР, 1973, т.213, Ш 4, с.802-803.

53. Черный Г.Г. Пограничный слой на движущейся поверхности.- В кн.: Избранные проблемы прикладной механики. М., 1974, с.709-719.

54. Черный Г.Г., Зубарев В.М. Пограничный слой на движущейся поверхности. Неавтомодельные решения. В кн.: Некоторые вопросы механики сплошной среды. М. 1978, с.48-54.

55. Швец Ю.Н., Дорфман А.Ш., Вишневский В.К. Автомодельные решения уравнений пограничного слоя жидкостей теплофизические свойства которых зависят от температуры. В кн.: Теплофизика и теплотехника, Киев. 1977, вып.32, с.32-36.

56. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969.- 744 с.

57. Эйкхофф. Замечания к статье "Ламинарный тепловой пограничныйслой на движущейся поверхности. Ракетная техника и космонавтика, 1973, т.II, №6, с.160-161.

58. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. М.: Наука, 1968. - 344 с.

59. Afzal N., Varshney I.S. The cooling of a low heat resistance stretching sheet moving through a fluid. WMrme - und Stoff-ttbertragung, 1980, v.14, No.p. 289-293.

60. Pox V. G., Erickson L.E. , Fan L.T. Method for solving the boundary layer equations for moving continuous flat surfaces with suction and injection. AIChE Journal, 1968, v.14, ITo.5, p. 726-736.

61. Clark C.J., Dombrowski N. Boundary layer growth on continuously formed surfaces. Int. J.Multiphase Flow, 1975» v.1, No.6,p. 851-856.

62. Gampert B., Abdelhafer T. Navier Stokes LBsungen fttr dasStrBmungsfeld an einer kontinuierlich bewegten ebenen Platte. -ZAMM, 1979, Band 59, Nr.5, T228-T231.

63. Grane L.J. Heat transfer on continuous solid surfaces. -Ingeneur-Archiv, 1974, v.43, Nr.4, S.203 204.

64. Griffin J.E., Thron J.L. On thermal boundary layer growth on continuous moving belts. AIChE Journal, 1967, v.13, p.1210-1211.

65. Klemp J.В., Andreas Acrivos. A moving-wall boundary layerwith reverse flow. J. Fluid Mech.,1976, v.76, No.2, p.363-381.

66. Kuiken H.K. The cooling of a low-heat resistance sheet moving through a fluid. Proc. R. Soc. London, 1974, A341, p.233-252.

67. Kikuji Chida, Yoshiko Katto. Conjugate heat transfer of continuous moving surfaces. Int. J. Heat and Mass Transfer, 1976, v.19, p. 461-470.

68. Lee W.W., Davis R.T. Laminar boundary layer on moving continuous surfaces. Chemical Engineering Science, 1972, v.27, p. 2129-2149.

69. Mirels. H. Correlation formulae for laminar shock tube boundary layer. The Physics of Fluid, 1966, v.9, No.7, p.1265-1272.

70. Murthy A.V., Hebbar K.S. Calculation of laminar boundary layers on continuous surfaces by Merksyn's method. AIAA Journal, 1974, v.12, N0.5, p. 732-733.

71. Rhodes C.A., Chen C.C. Thermal radiation in laminar boundary layers on continuous moving surfaces. Trans. ASME, 1974, C96, No.1, p.32-36.77» Rosenheard L. Laminar boundary layers. Oxford; At the Clarendon Press, 1963, 688 p.

72. Sakiadis B.C. 1. Boundary layer equations for two-dimensional and axisymmetric flow. AIChE Journal, 1961, v.7» No.1,p. 26-28.

73. Sakiadis В; II. The boundary layer on continuous flat surface. AIChE Journal, 1961, v.7, No.2, p.221-225.

74. Sakiadis B.C. III. The boundary layer on a continuous cylindrical surface. AIChE Journal. 1961, v.7, N0.3, p.467-472.

75. Sounalgekar V.M., Ramana Murty T.V. Heat transfer in flow past a continuous moving plate. Warme- und Stofftlbertra-gung, 1980, v.14, Nr.2, S.91-93.

76. Szaniawski A., Zachara A. Penetracja karieli do strefy formowania wiazki wloken sztucznych. Polimery, 1974-, No.19,P. 91-93.

77. Tsou F.K., Sparrow E.M., Goldstein R.J. Flow and heat transfer in the boundary layer on a continuous moving surface. -Int. J. Heat and Mass Transfer, 1967, v. 10, No.2,p.219-235.