Главная  Теории теплообмена излучением 

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 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 [ 131 ] 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156

21.1. ВВЕДЕНИЕ

Эта глава посвящена четырем специальным проблемам переноса излучения, каждая из которых представляет практический интерес только в узкой области. Поэтому некоторые их особенности излагаются лишь очень кратко.

Первая проблема касается особенностей теплообмена излучением в средах с показателем преломления, не равным единице. Рассматривается распространение излучения в объеме и через границы таких материалов, как стекло и лед. Когда излучение из одного вещества переходит в другое с другим- показателем преломления, необходимо учитывать преломление и отражение лучей на границе раздела. В близко расположенных слоях, как, например, в криогенной суперизоляции (экранно-вакуумной изоляции) возникает дополнительно туннельный эффект переноса излучения в зазоре между слоями.

Вторая проблема связана с излучением пламен - как несветящихся, так и содержащих светящиеся частицы, в основном сажу. Главными излучающими компонентами несветящегося углеводородного пламени являются углекислый газ и водяной пар. Излучение этих газов довольно хорошо изучено. В присутствии частиц сажи пламя становится светящимся и его излучение зависит от радиационных свойств сажи и ее концентрации в пламени. По радиационным свойствам сажи имеются некоторые данные, но они недостаточны. Помимо неточных данных о физических свойствах сажи серьезные трудности при вычислении излучения пламен представляет определение ее концентрации. Концентрация зависит от вида топлива, формы пламени и сложных явлений перемешивания внутри пламени. В настоящее время не существует способа расчета концентрации сажи по основным параметрам, как геометрия пламени, коэффициент избытка воздуха и вид топлива.

В конце главы кратко рассмотрены два явления: люминесценция и нестационарное излучение газов. В последнее время некоторый интерес ко второму вопросу связан в основном с расчетами ядерного оружия.

21.2. ОБОЗНАЧЕНИЯ

А

площадь;

а

коэффициент поглощения;

С

объемная концентрация частиц в среде;

Cl, С 2

постоянные в законе Планка распределения энергии излучения по спектру;

постоянная в законе смещения Вина;

с

скорость света в среде;

теплоемкость при постоянном объеме;

средняя теплоемкость при постоянном давлении;

половина толщины пластины; диаметр частицы;

Е

эффективная поглощательная способность отдельной частицы;

в

поверхностная плотность потока излучения;

F{%)

функция, определяемая уравнениями (21.22) и (21.23);

Н

энтальпия;

интенсивность излучения;

к, ki, &2

постоянные в уравнениях поглощения сажи;

средняя длина луча;

т

число молей;

число частиц в единице объема;

п

показатель преломления (действительная часть п - = п - Ы);

Р

парциальное давление;

поток энергии;

плотность потока энергии;

координата, отсчитываемая вдоль направления излучения;

т

абсолютная температура;

время;

{ааТУрс) t - безразмерное время;

координата;

а

показатель степени в уравнении (21.18);

Р

полярный угол;

углы, при которых происходит полное внутреннее отражение;

Рыако

максимальный угол преломления;

НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕНОСА ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОГЛОЩАЮЩИХ И ИЗЛУЧАЮЩИХ СРЕДАХ



g - степень черноты; 6 = Г/Го - безразмерная температура; 0 - азимутальный угол; у, = ах - оптическая толщина; показатель поглощения в комплексном показателе преломления; % -- длина волны; р - плотность;

а - постоянная Стефана - Больцмана;

Ф - угол рассеяния, измеряемый между прямым направлением падающего излучения и направлением на наблюдателя (фиг. 20.1);

03 - телесный угол.

Подстрочные индексы

черное тело;

значение, вычисленное для длины D;

испускаемое излучение; .

пламя;

зеленый цвет;

подводимый компонент;

не самопоглощение; начальное значение;

красный цвет;

спектральная величина;

1, 2, 3 -

среда или граница 1, 2, 3.

Надстрочный индекс

- величина, зависящая от паправления.

21.3. РАДИАЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ

В СРЕДАХ С ПОКАЗАТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ, НЕ РАВНЫМ ЕДИНИЦЕ

В гл. 13-20 в основном рассматривались диэлектрические среды с показателем преломления п, равным единице. Это не слишком строгое ограничение, так как обычно излучающими и поглощающими средами являются газы, которые почтп все, как следует из табл. 21.1, имеют показатель преломления, очень близкий к единице. Однако возможны случаи, в которых показатель преломления либо существенно отличается от единицы, либо изменяется вдоль направления излучения из-за изменения тем-

Таблица 21.1

Показатели преломления некоторых распространенных веществ [1]

Вещество

Показатель преломления, п

1,00029

Аргон

1,00028

Углекислый газ

1,00045

1,00077

Водород

1,00014

Метан

1,00044

1,00030

Кислород

1,00027

Водяной пар

1,00026

Жидкости

1,385

Этиловый спирт

1,36-1,34 (289-349 К)

Кислород

1,221

1,33-1,32 (287-373 К)

Твердые вещества

Стекло:

кронглас

1,50-1,55

флинтглас

1,55-1,95

Лед

1,31

Кварц

1,52-1,69

Каменная соль

1,5-1,9

пературы в пространстве. В табл. 21.1 представлены некоторые распространенные вещества с показателем преломления, не равным единице. Как уже говорилось в разд. 2.4.12, неравенство п единице приводит к увеличению излучения черного тела в среде в раз. В этом разделе рассматриваются некоторые случаи, в которых нужно учитывать влияние показателя преломления.

21.3.1. Среды с постоянным,

но не равным единице показателем преломления

Рассмотрим излучение с интенсивностью j в диэлектрической среде, имеющей показатель преломления щ. Пусть это излучение в пределах телесного угла Ло попадает в диэлектри-



ческую среду с показателем преломления 2 (фиг. 21.1). Из-за разности показателей преломления лучи при переходе в среду 2 изменяют направление. Излучение в пределах телесного угла dcOi с углом падения Pi перейдет в телесный угол dcOg с углом преломления Pg. В предположении, что на границе раздела не происходит ни отражения, ни рассеяния, энергия излучения


Фиг. 21.1. Прохождение излучения с начальной интенсивностью t%, i через границу раздела менаду двумя диэлектричеркими средами с различными показателями преломления.

при пересечении границы сохраняется. С использованием определения интенсивности излучения уравнение сохранения энергии принимает следующий вид:

tx, 1 cos Pi dA cfcii dXi = ix, 2 cos Pg dA d dk, (21.1)

где dA - элемент площади в плоскости границы раздела. Используя соотношение для телесного угла

dco = smpdpde (21.2)

и имея в виду, что приращение азимутального угла dQ не изменяется при переходе границы раздела, приведем уравнение (21.1) к виду

iK 1 sin Pi cos Pi dPi dki = ix, 2 sin Pacos Pa dPa dk- (21.3)

Закон Снеллиуса (4.43) связывает показатели преломления с углами падения и преломления

1 sin Р2

2 sin Pi

Дифференцируя, получим

щ cos Pi dPi = П2 cos P2 dPa.

(21.4) (21.5)

Подстановка (21.4) и (21.5) в (21.3) дает

\, 1 l x, 2

(21.6)

Хотя уравнение (21.6) выведено для излучения, пересекающего границу раздела двух сред, оно справедливо также и для интенсивности в любой точке прозрачной среды с переменным показателем преломления до тех пор, пока локальные свойства среды не зависят от направления, т. е. изотропны. Изотропность, как правило, имеет место всю-

ду, за исключением некоторых приложений физики плазмы. Таким образом, для спектральной интенсивности излучения ) в общем случае прозрачной изотропной среды, а также для интегральной интенсивности излучения в среде с показателем преломления, не зависящим от длины волны, будут справедливы следующие равенства: г; dk

Среда 1 С показателем преломлении т\-[х\-т\

Среда г с показателем преломления п.

= const,

= const. (21.7)


21.3,2, Угол Брюстера

Рассмотрим элементарный объем dV в полубесконечной области с показателем преломления п^, (фиг. 21.2). Предположим, что изотропное излучение

интенсивностью падает на границу раздела из области, имеющей показатель преломления тц, где % <; п^. Излучение, падающее на границу раздела под углом р^ 90°, преломится в среде 2 на максимально возможный угол Р2, определяемый в виде

Фиг. 21.2. Преломление излучения ири прохождении в среду с показателем преломления, не равным единице.

sin р

2, макс

ih sin 90° = -.

(21.8)

1) С использованием частоты, которая не зависит от ге, можно записать Jvdv/n = const или Iv/re = const. Следовательно,при определении спектральных характеристик удобнее иметь дело с частото11, а не с длино11 волны.



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 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 [ 131 ] 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156

© ООО "Карат-Авто", 2001 – 2018
Разработчик – Евгений Андрианов