|
| |
|
Главная Журналы RADIATIVE TRANSFER Теплообмен излучением играет важную роль в природе и технике. Структура атмосфер планет и звездных атмосфер, рабочий процесс в камерах сгорания и электрических дугах, тепловой режим радиоэлектронной аппаратуры и искусственных спутников Земли - вот лишь некоторые примеры процессов, в которых теплообмен излучением является определяющим. Поэтому не удивительно, что уже в течение многих десятилетий в этой области проводятся теоретические и прикладные исследования. Опубликован ряд монографий по теплообмену излучением как в Советском Союзе, так и за рубежом. Тем не менее в последнее время в научной литературе по теплообмену отмечается повышенный интерес к теплообмену излучением в связи с его принципиальным значением для таких объектов новой техники, как космические аппараты, энергетические установки, основанные на новых принципах, оптические квантовые генераторы, термоядерные устройства и т. д. Вследствие такого повышеппого интереса к практическим приложепням предъявляются новые более строгие требования к теории теплообмена излучением как в отношении описания протекающих процессов, так и в отношении описания сложного теплообмена, происходящего при одновременном переносе тепла излучением, теплопроводностью и конвекцией. В результате математический аппарат современной теории теплообмена излучением существенно усложнился. С учетом сказанного выше значительный интерес представляет предлагаемая вниманию советского читателя книга профессора университета шт. Северная Каролина Оцисика. Основная особенность данной книги - широкое представление различных математических методов решения задач теплообмена излучением в прозрачных средах и непрозрачных средах, кото- рые сами испускают излучение, а также поглощают и рассеивают проходящее излучение. В этом смысле книгу Оцисика можно рассматривать как справочное руководство по методам решения различных задач теплообмена излучением. При переводе кингн на русский язык мы старались придерживаться терм[п10логин. предложенной Комитетом научно-технической терминологии АН СССР {Теория теплообмена. Сборник рекомендуемых терминов, изд-во «Наука», М., 1971). Перевод книги выполнен кандидатом технических наук A. А. Васильевым (гл. 1-5, 9, 10), кандидатом технических наук B. А. Зейгарником (гл. 6-8, 11, 12) и В. В. Альтовым (гл. 13 и И). Н. А. Лнфимов ПосвящаетСй Хакану ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА  Быстрое развитие современной техники в последние годы оказало значительное влияние на преподавание теплообмена излучением в высшей школе. Традиционные курсы теплообмена излучением, в которых рассматривались главным образом прозрачные среды, пришлось расширить и включить в них изложение вопросов, касающихся поглощающих, излучающих и рассеивающих сред, а также взаимодействия излучения с другими видами переноса тепла. Перенос излучения в поглощающих, излучающих и рассеивающих средах интенсивно изучался астрофизиками при исследовании звездных атмосфер. Кроме того, задачи, описываемые теми же уравнениями переноса, изучались физиками, работающими в области теории переноса нейтронов. В технике интерес к этой проблеме значительно вырос в последнее десятилетие. Хотя разработаны новые методы и некоторые математические методы, используемые в других отраслях науки для решения уравнения переноса, уже применяются при решении задач теплообмена излучением, представляется полезным дать единое и систематическое описание всех новых достижений, легко доступное для аспирантов, научных работников и инженеров. В области инженерных приложений необходима книга, представляющая собой исчерпывающее, систематическое и единое изложение фундаментальных положений, основной теории и различных методов решения задач переноса излучения не только в прозрачных, но и в поглощающих, излучающих и рассеивающих средах, а также взаимодействия излучения с другими видами теплопередачи. Поэтому эта книга была задумана как учебное пособие по курсу переноса излучения, а также как спра-B04niiK для научных работников и инженеров, работающих в этой области. В первых двух ]-лавах дан обзор основных уравнений и фун-далгентальных положений, необходимых для изусения переноса излучения в прозрачных, а также поглощающих, излучающих и рассеивающих средах; здесь же рассматриваются радиационные свойства матер!{алов. Остальные двенадцать глав могут быть разделены на две независимые части: перенос излучения в прозрачных средах (гл. 3-7) и перенос излучения в поглощающих, излучающих и рассеивающих средах (гл. 8-14). Математическое описание переноса излучения в прозрачных средах относительно простое. Йользуясь этой книгой как учебником, преподаватель при просмотре материала гл. 3-7 может сосредоточить свое внимание на общем подходе к решению задач и физической сущности явления, в то время как студент должен следить за ходом математических рассуждений. Однако анализ теплообмена излучением в поглощающих, излучающих и рассеивающих средах более сложен из-за математических трудностей, связанных с решением основных уравнений; поэтому гл. 8- 10 посвящены методам решения уравнений переноса излучения. В гл. 8 классическим методом [[олучены формальные решения для таких физических величин, как интенсивность излучения, пространственная плотность падающего излучения и плотность потока результирующего излучения, а в гл. 9 приведены различные приближенные методы решения. В гл. 10 описан метод разложения по сингулярным собственным функциям, основанный на более строгом анализе nepetioca излучения для поглощающих и изотропно рассеивающих плоскопараллельных сред. Этот эффективный метод, разработанный Кейсом в 1960 г. для точного решения одномерных задач переноса нейтронов, лишь недавно применен в области переноса излучения. Излагая материал гл. 10, преподаватель должен уделить дополнительное внимание аналитическим основам метода, так как они редко используются в практических приложениях. Эта глава и применение изложенного в ней материала в некоторых разделах последующих глав могут быть опущены без ущерба для целостности курса. Формальные и приближенные решения уравнения иере[[оса излучения, приведенные в гл. 8 и 9, широко используются в гл. И -14, в которых рассматриваются приложения. Гл. 11 посвящена при-ложе[[(1Ям теории теплопередачи излучением в плоскопараллсль-ном случае поглощающей, излучающей и рассеивающей среды, в то время как в гл. 12-14 рассматриваются соответственно взаимодействие излучения с теплопроводностью, течение в по-гранич[1ом слое и в канале. Автор благодарен за помощь в подготовке этой рукописи своим друзьям и коллегам, в особенности доктору К- И. Сиверту за его ценные предложения по поводу точных решений, докторам Дж. Э. Кларку, М. Э. Хислету, Бай ши-и, Дж. И. Сандерленду, Р, С. Торсену, Р. Висканта, Дж. К. Уильямсу III за их полезные замеча![ия и И. Йенеру за внимательное чтение корректуры. М. И. Оцисик Рэлсй. Северная Каролина Октябрь 1972 ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ В этой главе будут кратко рассмотрены основные физические закономерности теплового излучения и некоторые результаты, полученные с помощью теории электромагнитного излучения и квантовой теории, которые необходимы для изучения теплообмена излучением В соответствии с классической электромагнитной теорией Максвелла энергия излучения распространяется в виде электромагнитных волн, а в соответствии с гипотезой Планка - в виде дискретных фотонов. Обе эти теории применяются в исследованиях теплообмена излучением. Например, результаты электромагнитной теории используются для расчета радиационных свойств материалов, таких, как степень черноты и отражательная способность, а результаты квантовой теории используются при определении энергии излучения, испускаемого веществом с данной частотой (или длиной волны) в зависимости от температуры. Ниже будут приведены некоторые выводы электромагнитной теории и квантовой механики, представляющие интерес для практических приложений. Более подробные сведения из области физики и термодинамики излучения содержатся в книгах [1, 2], а более полное рассмотрение электроволновой природы излучения в книгах [3-6]. 1.1. ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ На фиг. 1.1 приведена шкала электромагнитных волн (электромагнитный спектр) и принятое деление ее на участки. Термин тепловое излучение относится к собственному излучению нагретых тел; практический интерес представляет участок спектра от 0,1 до 100 мкм, в котором заключена основная часть энергии теплового излучения, причем видимая часть спектра соответствует длинам волн от 0,4 до 0,7 мкм. Более коротким длинам волн соответствует рентгеновское и у-излучение, а также космические лучи. Радиоволны имеют длины, значительно превышающие длины волн теплового излучения. Различные виды излуче-1П1Я возникают пол действием различных факторов. Например, рентгеновское излучение возникает при бомбардировке металла электронами высокой энергии, а у-излучение - при делении ядер или радиоактивном распаде [ 0 ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 |