Угловой коэффициент излучения

Смешанная свободная и вынужденная конвекция

Вынужденная конвекция (forced convection) - движение жидкости под действием внешних поверхностных сил, приложенных на границах системы, или однородного поля массовых сил, приложенных к жидкости внутри системы, или за счёт кинетической энергии, сообщённой жидкости вне системы. Примерами вынужденной К. являются движение воздуха в помещении под действием вентилятора, течение жидкости в трубе под действием гидронасоса и др. При движении тела в покоящейся среде относительное движение среды в системе координат, связанной с телом, также представляет собой частный случай вынужденной К. Физ. процессы, происходящие при вынужденной К., связанной с движением тел с большими скоростями в атмосфере, моделируются в аэродинамических трубах, где воспроизводится обтекание неподвижных моделей потоком воздуха.

 

78 Теплообмен в высокоскоростном потоке

Конвективный теплообмен в высокоскоростном потоке важен для таких систем, как самолеты и ракеты, скорости которых приближаются к скорости звука или превышают ее. В совершен­ном газе скорость звука можно рассчитать по формуле

где у —с_р/с₀ — отношение удельных теплоемкостей (1,4 для воздуха), R_u — универсальная газовая постоянная, T —абсолют­ная температура, µ — молекулярный вес газа. Когда скорость газа, обтекающего нагретую или охлажденную поверхность, близка к скорости звука или превышает ее, поле течения не­возможно характеризовать только числом Рейнольдса и нужно учитывать также отношение скорости газа к скорости звука (т. е. число Маха, М = V/a,). При достижении газом скоро­сти, составляющей около половины скорости звука, повышается роль вязкости диссипации в пограничном слое. При этом темпе­ратура поверхности, которую обтекает газ, может фактически превышать температуру набегающего потока.

Высокая температура на поверхности яв­ляется совместным результатом нагрева в результате вязкости диссипации и подъема температуры жидкости из-за преобра­зования ее кинетической энергии во внутреннюю энергию при тор­можении в пограничном слое. Действительная форма профиля температур определяется соотно­шением между скоростью, с ко­торой работа сил трения увели­чивает внутреннюю энергию жид­кости, и скоростью, с которой теп­ло передается новозмущенному потоку.

Хотя процессы, протекающие в высокоскоростном погранич­ном слое, не являются адиабати­ческими, их обычно таковыми считают. Преобразование кинети­ческой энергии газа при его адиабатическом торможении до нулевой скорости описывается зависимостью

где i_o — энтальпия торможения, i — энтальпия газа в невоз­мущенном потоке.

 

Физика излучения

Понятие черного тела

Не все поверхности, нагретые до одной и той же температуры, излучают или поглощают одно и то же количество лучистой энергии. Поверхность тела, которая излучает и поглощает максимальное количество энергии при данной температуре, называется черной поверхностью или просто черным телом. Черное тело — это эталон, к которому можно приблизиться на практике покрытием поверхности тела или видоизменением формы его поверхности. Черное тело — это эталон, с которым можно сравнивать все другие излучатели.

Закон Планка

При нагревании черного тела до температуры Т поверхностью тела испускаются фотоны. Фотоны имеют определенное распределение энергии, зависящее от температуры поверхности Т. Макс Планк показал, что энергия излучения длиной волны λ, испускаемой черным телом с температурой T, равна (Ф.1) где Е _bλ — плотность потока монохроматического, или спектрального, излучения черного тела при температуре Т, Вт/м³; Вт м² —первая постоянная излучения; м К —вторая постоянная излучения. Изменение монохроматической плотности потока излучения черного тела в зависимости от температуры и длины волны, выраженное формулой (1), известно как закон Планка.

График монохроматической плотности потока излучения чер-
ного тела представлен на рис. 1 Видно, что энергия излучения, испускаемого черной поверхностью, возрастает с температурой.Кроме того, плотность потока достигает максимального значения при длине волны, которая уменьшается с ростом температуры поверхности.

Радиационные свойства

Радиационные свойства количественно описывают взаимодействие энергии излучения с поверхностью материала, в частности как поверхность излучает, отражает, поглощает и пропускает энергию излучения. В общем случае радиационные свойства зависят от длины
волны. Например, поверхность может хорошо отражать в видимой части спектра и быть плохим отражателем в инфракрасной области. Свойства, которые описывают поведение поверхности в зависимости от длины волны, называют монохроматическими, или спектральными, свойствами. Радиационные свойства зависят также от направления, по которому излучение падает на поверхность. Свойства, которые описывают изменения распределения энергии в зависимости от угла, называют направленными свойствами.

При составлении баланса энергии на поверхности, например,
с целью определения ее температуры, необходимо знать радиационные свойства этой поверхности и всех других поверхностей, которые обмениваются энергией с данной поверхностью. Даже когда известны спектральные и направленные свойства всех этих поверхностей, анализ процесса весьма сложен. Сложность задачи, а чаще полное отсутствие детальных свойств заставляют искать упрощенный подход. Такой подход допускает использование одной величины радиационного свойства, осредненной по всем длинам волн и всем направлениям. Свойства, которые усреднены по всем длинам волн и углам, называют интегральными свойствами. При использовании интегральных свойств в
анализе радиационного теплообмена полученные результаты достаточно точны для большинства инженерных целей и, конечно, очень сложная задача расчета сводится к более простой. Даже если мы хотим использовать исключительно интегральные радиационные свойства, важно иметь представление о спектральных и направленных характеристиках поверхностей, что бы учесть их изменение в задачах, в которых эти эффекты имеют существенное значение.

 

Угловой коэффициент излучения

Чтобы рассчитать теплообмен излучением между двумя по­верхностями, необходимо определить долю полной энергии из­лучения, исходящую от одной поверхности и достигающую не­посредственно вторую поверхность. Определим угловой коэффи­циент излучения F_1à2 как часть полной энергии излучения, исходящую от поверхности 1 и достигающую непосредственно поверхности 2. Угловой коэффициент является безразмерной величиной. В некоторых книгах его также называют коэффициентом видимости, или конфигурационным коэффициентом.

Выражение для углового коэффициента можно получить из рассмотрения рис. 6.14, где через dA₁ обозначена излучающая площадка, a dA₂ — приемная площадка. Поток энергии излучения на единицу площади dA₁, который исходит с dA₁ и дости­гает dA₂, определяется уравнением:

Угловой коэффициент излучения между двумя элементарными площадками dA₁ и dA₂, будет равен:

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: