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Heated turbulent flow of helium—argon mixtures in tubes

1979; Elsevier BV; Volume: 22; Issue: 5 Linguagem: Inglês

10.1016/0017-9310(79)90118-2

1879-2189

P.E. Pickett, M. F. Taylor, D.M. McEaligot,

Fluid Dynamics and Turbulent Flows

The results of a numerical and experimental investigation of friction and heat-transfer parameters for turbulent flow of helium-argon mixtures in smooth, electrically heated, vertical circular tubes are presented. Mixtures with molecular weights between 15.3 and 29.7 are used; these values correspond to molecular Prandtl numbers between 0.42 and 0.49. Inlet Reynolds numbers range from 31 200 to 102 000, maximum wall temperatures from 392 to 828 K, maximum wall-to-bulk temperature ratios to 1.82, and pressures from 4.7 to 9.7 atm. Popular existing experimental correlations, developed using gases with Prandtl numbers of the order of 0.7, are found to overpredict the observed Nusselt numbers. By comparison of numerical calculations and measured constant property Nusselt numbers, turbulent Prandtl numbers are determined in the wall region. The validity of using these deduced turbulent Prandtl numbers is examined for conditions where the properties vary significantly. On présente les résultats d'une étude numérique et expérimentale du frottement et du transfert thermique pour un écoulement turbulent de mélanges hélium-argon dans des tubes circulaires, lisses, verticaux et chauffés électriquement. On considère des mélanges ayant des masses moléculaires entre 15,3 et 29,7; ces valeurs correspondent à des nombres de Prandtl moléculaire compris entre 0,42 et 0,49. Les nombres de Reynolds à l'entrée varient de 31 200 à 102 000. les températures maximales de paroi entre 392 et 828 K, le rapport maximal de température paroi—coeur jusqu'à 1,82 et les pressions de 4,7 à 9,7atm. Les formules expérimentales connues, pour des gaz à nombre de Prandtl de l'ordre de 0,7 surestiment les nombres de Nusselt observés. Par comparaison des calculs numériques et des nombres de Nusselt mesurés pour des propriétés constantes, les nombres de Prandtl turbulent sont déterminés dans la région de paroi. La validité de l'utilisation de ces nombres de Prandtl ainsi déduits est examinée pour des conditions dans lesquelles les propriétés varient fortement. Es werden Ergebnisse einer numerischen und experimentellen Untersuchung von Reibungs- und Wärmeübergangsparametern der turbulenten Strömung von Helium-Argon-Gemischen in glatten, elektrisch beheizten vertikalen Rohren mit kreisförmigem Querschnitt dargestellt. Es werden Gemische mit Molekulargewichten zwischen 15,3 und 29,7 verwendet; diese Werte entsprechen den molekularen Prandtl-Zahlen von 0,42 bis 0,49. Die Einlauf-Reynolds-Zahlen reichen von 31,2 bis 102,0; die maximale Wandtemperatur von 392 bis 828 K; des Verhältnis der maximalen Wandtemperatur zur mittleren Fluid-temperatur bis 1,82 und der Druck von 4,7 bis 9,7 at. Es zeigte sich, daβ gut bekannte experimentelle Korrelationen für Gase mit Prandtl-Zahlen in der Gröβenordnung von 0,7 für die erhaltenen Nusselt-Zahlen zu hohe Werte liefern. Durch Vergleich von numerischen Berechnungen mit bei konstanten Stoffwerten gemessenen Nusselt-Zahlen wurden turbulente Prandtl-Zahlen in Wandnähe bestimmt. Die Zulässigkeit der Verwendung dieser abgeleiteten turbulenten Prandtl-Zahlen wird für Bedingungen untersucht, unter denen sich die Stoffwerte sehr wesentlich ändern. Пp;e;дc;тa;влe;N;ы p;e;зy;льтa;ты тe;o;p;e;тиkhcy;e;c;кo;гo; и экc;пe;p;имe;N;тa;льN;o;гo; иc;c;лe;дo;вa;N;ия тp;e;N;ия и тe;плo;o;бмe;N;a; пp;и тy;p;бy;лe;N;тN;o;м тe;khcy;e;N;ии гe;лиe;вo;-a;p;гo;N;o;выч c;мe;c;e;й в глa;дкич вe;p;тикa;льN;ыч тp;y;бa;ч, N;a;гp;e;вa;e;мыч элe;ктp;иkhcy;e;c;ким тo;кo;м. B экc;пe;p;имe;N;тa;ч иc;пo;льзo;вa;лиc;ь c;мe;c;и c; мo;лe;кy;ляp;N;ыми вe;c;a;ми в пp;e;дe;лa;ч o;т 15,3 дo; 29,7. Этим зN;a;khcy;e;N;иям c;o;o;твe;тc;твo;вa;ли мo;лe;кy;ляp;N;ыe; khcy;иc;лa; Пp;a;N;дтля o;т 0,42 дo; 0,49. khcy;иc;лa; Pe;йN;o;льдc;a; N;a; вчo;дe; c;o;c;тa;вляли o;т 31 200 дo; 102 000, мa;кc;имa;льN;a;я тe;мпe;p;a;тy;p;a; c;тe;N;ки N;a;чo;дилa;c;ь в пp;e;дe;лa;ч o;т 392 дo; 828°К, мa;кc;имa;льN;o;e; o;тN;o;шe;N;иe; тe;мпe;p;a;тy;p;ы c;тe;N;ки к c;p;e;дN;e;o;бъëмN;o;й тe;мпe;p;a;тy;p;e; c;мe;c;и — дo; 1,82, дa;влe;N;иe; — o;т 4,7 дo; 9,7 a;тмo;c;фe;p;. Ha;йдe;N;o;, khcy;тo; c;y;щe;c;твy;ющиe; экc;пe;p;имe;N;тa;льN;ыe; o;бo;бщe;N;N;ыe; зa;виc;имo;c;ти, пo;лy;khcy;e;N;N;ыe; пp;и иc;пo;льзo;вa;N;ии khcy;иc;лa; Пp;a;N;дтля пo;p;ядкa; 0,7, зa;вышa;ют зN;a;khcy;e;N;ия khcy;иc;лa; Hy;c;c;e;льтa;, пo;лy;khcy;e;N;N;ыe; в дa;N;N;o;м экc;пe;p;имe;N;тe;. Пy;тëм c;p;a;вN;e;N;ия p;e;зy;льтa;тo;в khcy;иc;лe;N;N;o;гo; p;a;c;khcy;ëтa; c; измe;p;e;N;N;ыми зN;a;khcy;e;N;иями khcy;иc;лa; N;y;c;c;e;льтa; для жидкo;c;тe;й c; пo;c;тo;яN;N;ыми c;вo;йc;твa;ми o;пp;e;дe;лe;N;ы зN;a;khcy;e;N;ия тy;p;бy;лe;N;тN;o;гo; khcy;иc;лa; Пp;a;N;дтля в o;блa;c;ти c;тe;N;ки. Cпp;a;вe;дливo;c;ть этич зN;a;khcy;e;N;ий пp;o;вe;p;яe;тc;я в y;c;лo;вияч c;y;щe;c;твe;N;N;o;гo; измe;N;e;N;ия физиkhcy;e;c;кич c;вo;йc;тв жидкo;c;ти.