Почему температура адиабатической стенки принимается за рабочую температуру в ракетных двигателях?

Исходя из определения коэффициента конвективной теплопередачи из Википедии ( в чем я начал сомневаться; причина следующая ): час знак равно д Δ Т , где Δ Т принимается за разницу между жидкостью и твердой поверхностью . Обычно за температуру жидкости принимают температуру дальнего поля набегающего потока, Т ∞ .

Но в главе 4 « Современной техники для проектирования жидкостных ракетных двигателей » Хузела и Хуанга для расчета конвективной теплопередачи к стенкам двигателя адиабатическая температура стенки, Т а ж , используется вместо Т ∞ .

Также в заметках MIT OCW профессора Мануэля Мартинеса-Санчеса описывается то же самое:

The Т а ж температура показана пунктиром, потому что, как мы знаем, это не действительная температура газа вне пограничного слоя газа, а движущая теплота. (стр. 3 из 12).

Определение _ _ Т а ж является:

Адиабатической температурой стенки называют температуру, приобретаемую стенкой в ​​потоке жидкости или газа, если на ней соблюдается условие теплоизоляции.

Это не фактическая температура жидкости, а также температура жидкости с учетом адиабатических условий.

Учитывая это: Почему такая температура используется для расчета конвективного теплообмена?

Как и во многих других областях инженерии, это хорошая оценка реальности, даже если она не идеальна и не точна. Часто удобно предположить, что газ замедляется адиабатически, потому что мы можем получить выражение для термодинамических величин аналитически, а не вычислительно.
@ Пол, что не имеет смысла, так это необходимость использовать температуру газа так близко к стене для конвективной теплопередачи. Для проведения смежность имеет смысл, поскольку передача материала невозможна. Но конвекция — это объемное явление со значительным движением жидкости. Почему Тау предпочтительнее? Это просто завышенная/консервативная оценка теплового потока?

Ответы (2)

Поздний ответ, но это тема, которая мне очень нравится. Я постараюсь пояснить, почему адиабатическая температура стенки является движущей силой конвективного теплообмена.

Любая жидкость/газ, протекающая по телу, обладает кинетической энергией. По мере прохождения жидкости над телом образуется пограничный слой. На краю или в самой внешней части пограничного слоя скорость жидкости равна скорости свободного потока, общей скорости. По мере прохождения пограничного слоя (ближе к телу, над которым проходит жидкость) скорость жидкости начинает уменьшаться, а когда жидкость достигает стенки, она стационарна (это называется условием прилипания).

Когда скорость жидкости уменьшается от скорости набегающего потока до нуля у стенки, жидкость теряет всю свою кинетическую энергию. Кинетическая энергия передается в тепловую энергию посредством трения! Важно помнить, что это происходит при любом течении жидкости над любым твердым телом, независимо от того, насколько медленно или быстро движется жидкость (в пределах разумного, иногда это не удается при абсурдно высоких скоростях жидкости, но это не важно).

При очень высоких скоростях жидкости большое количество кинетической энергии переходит в тепловую энергию, когда жидкость останавливается на твердой границе. Таким образом, было бы интуитивно предположить, что если есть достаточно кинетической энергии, которую необходимо рассеять, то тепловая энергия может быть настолько велика, что жидкость становится очень горячей, тем более, чем ближе вы приближаетесь к стене!

Однако, как жарко это становится? Об этом нам говорит адиабатическая температура стенки. Начнем с температуры застоя, которая по определению является температурой, при которой ВСЯ кинетическая энергия переходит в тепловую энергию без каких-либо потерь. Но это не так в пограничном слое. Как упоминалось ранее, жидкость ближе к твердой границе (которая движется медленнее) горячее, чем жидкость за пределами пограничного слоя (которая имеет температуру окружающего набегающего потока). Это означает, что на самом деле существует кондуктивный теплообмен через жидкость в самом пограничном слое! Из-за этого не все тепло, преобразованное из кинетической энергии, достигает стенки, а только часть его возвращается. Следовательно, температура, достигаемая за счет тепловой энергии, которая рекуперируется только на стенке, называется адиабатической температурой стенки (также называемой температурой рекуперации). Именно эта температура жидкости приводит к конвекции к стенке.

В итоге:

  • Во всех потоках жидкости над твердым телом кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию через пограничный слой.
  • В высокоскоростных потоках эта тепловая энергия становится очень большой, поскольку рассеивается больше кинетической энергии, нагревая таким образом жидкость в пограничном слое.
  • Поскольку пограничный слой намного горячее, чем температура набегающего потока, проводимость происходит через пограничный слой, что позволяет рекуперировать часть тепловой энергии, генерируемой из кинетической энергии, на стенке.
  • Температура, достигаемая за счет рекуперированной тепловой энергии, является адиабатической температурой стенки и температурой жидкости у стенки, что приводит к конвекции жидкости к стенке.
Извините, что говорю это, но я чувствую это как повторение уже имеющегося ответа. И снова этот ответ объясняет, почему Twa не T_stag. Но все же непонятна причина использования Twa для расчета конвективного теплообмена!

Я не знаю, как сделать это более кратким, чем это сделали авторы, поэтому вот соответствующая страница из Hill & Peterson, «Mechanics and Thermodynamics of Propulsion», 3-е издание, ноябрь 1970 года.

Обратите внимание, что они говорят, что температура застоя газа может использоваться вместо максимальной точки теплопередачи.

введите описание изображения здесь

Очень хорошее и точное объяснение того, почему Twa не T_stag. Но все же не понятна причина использования Twa для теплопередачи! Спасибо за ссылку!
Спасибо, что поделились. Отличное объяснение!. Примечание: здесь T0g – температура стагнации.
Почему температура адиабатической стенки принимается за рабочую температуру в ракетных двигателях?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v