Основы теплопередачи - Крейт Ф.
Скачать (прямая ссылка):
5.64. Масштабная модель секции крыла самолета помещена в аэродинамическую трубу, где проводятся ее испытания при числе Маха Af = 1,5. Давление воздуха и температура в рабочей части трубы составляют соответственно 20 000 Н/м2 и —3O0C Требуется охладить секцию крыла до температуры 600C Рассчитать плотность теплового потока, отводимого от этой секции, с тем чтобы поддерживать указанную температуру. Предположите, что крыло представляет собой плоскую пластину, а его длина в направлении потока составляет 30 см.
5.65. Воздух с температурой 00C при давлении 23 000 Н/м2 обтекает со скоростью 500 м/с плоскую пластину, нагретую до температуры 8O0C Длина пластины в направлении потока 20 см, а ее ширина в поперечном направлении 40 см. Определить следующие параметры: а) температуру адиабатической поверхности; б) расстояние от передней кромки пластины хкр, на котором поток становится турбулентным; в) локальный коэффициент теплоотдачи в сечении хкр\ г) локальный коэффициент трения в конце пластины; д) локальный тепловой поток в конце і ластины.
Глава 6 ИЗЛУЧЕНИЕ
6.1. ВВЕДЕНИЕ
Радиационный способ теплопередачи характеризуется энергией, передаваемой в форме электромагнитных волн. Волны распространяются со скоростью света. Передача энергии излучением может происходить между поверхностями, разделенными вакуумом. Солнце, например, передает энергию Земле через миллионы километров космического вакуума исключительно излучением. Кроме того, это единственный способ передачи энергии к космическому кораблю или от него.
Для объяснения поведения теплового излучения используются как волновая, так и корпускулярная теории. Согласно волновой теории, излучение можно представить волновыми колебаниями, имеющими частоту v и длину волны X. Произведение частоты и длины волны есть скорость распространения, равная скорости света с:
C = Xv, (6 Л)
Согласно корпускулярной теории, энергия излучения передается в виде порций энергии, называемых фотонами. Каждый фотон движется со скоростью света и имеет определенную энергию, заданную соотношением
е = Av,
в котором h — постоянная Планка. Фотоны с более высокими частотами обладают большей энергией, чем фотоны с более йиз-кими частотами. Когда тело нагрето, свободные электроны могут переходить на более высокие, или возбужденные, уровни. Когда электрон возвращается на свой более низкий энергетический уровень, он испускает фотон, энергия которого равна разности энергий возбужденного и равновесного состояний. Для любой поверхности в любой данный момент многочисленные электроны совершают переходы на разные энергетические уровни, и поэтому энергия фотонов, покидающих поверхность, распределена по спектру частот. Испускание фотонов зависит исключительно от температуры тела. Энергия фотонов, покидающих поверхность таким образом, называется тепловым излучением.
Есть другие способы кроме нагревания поверхности, которые могут быть причиной испускания телом фотонов. На коротковолновом конце спектра, например, находится рентгеновское
266 Глава 6
излучение, которое может быть вызвано бомбардировкой куска металла потоком электронов. На другом конце спектра находятся радиоволны с большими длинами волн, которые могут генерироваться электронным оборудованием и кристаллами. Между
вДоГыЛ, !О"14 -13-12-11-10-9 -7 -6
1—I—1—I—!—г
Частотау; 102а 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
"1 - п---------- иАен°иЄе , Радио' Электро-
излучение і волны ^ энергия^
Космические лучи
f Рентгенов-U-—ские I лучи
Г амма-
лучи
Тепловое
излучение
-Волны Герца-
Рис. 6.1а. Электромагнитный спектр.
этими двумя предельными случаями находится тепловое излучение, которое испускается телом и зависит только от его температуры. Полный диапазон излучения всех длин волн называется электромагнитным спектром.
Длина волныЛ>м 10 ^
Частота у, с""'
Ультрафиолетовый Види- Ближний Средний ^ Дальний
мый инфра- инфракрасный инфракрасны
1X >з: ш )Х\
*- О J s ї 2 с: V Q) »- X о о ^ е: с: л л
Є і_.соїОзс
Рис. 6.16. Часть электромагнитного спектра, приходящаяся на тепловое излучение.
Электромагнитный спектр подразделяется на ряд диапазонов, (рис. 6.1а). Тепловое излучение, испускаемое с поверхности и определяемое только его температурой, сосредоточено между длинами волн 10~4 и 10~7 м. Часть спектра, относящаяся к тепловому излучению, показана более подробно (рис. 6.16).
Глаз человека способен воспринимать электромагнитное излучение в диапазоне между длинами волн приблизительно
Излучение 267
3,8•1O-7 и 7,6•1O-7 м, и поэтому излучение между этими длинами волн называется видимым излучением. Видимая часть спектра составляет очень малую часть всего спектра и лежит полностью внутри области теплового излучения. Для измерения длин волн используются различные единицы:
IA = I ангстрем = 10"10 м=10~8 см=10~4 мкм. 1 мкм = 1 микрометр = 1 микрон = 10~6 M = IO""4 CM=IO4A.
Следующий раздел посвящен физике теплового излучения. В нем введено понятие теплового черного тела и представлено распределение энергии как функция длины волны и температуры для излучающего абсолютно черного тела.
