77 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.

79 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.

Рис 1