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

Существует другой путь решения. Поскольку 50% энергии расходуется на тепловое излучение, то

<?ивл = 10.45.10 Вт.

Представим себе концентрическую сферу радиусом 10 км (вьтсота точки взрыва над землей) вокруг огненного шара. Поскольку рас-

Бо/1гпимор Вашинегпон

50%-ная облочность


Место Взрыва

Фиг. 13.12. Площади, на которых плотность потока излучения в РезУЛЬтате четырех мощных высотных взрывов составляет 62,9.10* Вт/м^ или более в зависимости от погодных условии 1110].

пределение (? зл сферически симметричное, плотность потока излучения на воображаемой сфере при отсутствии ослабления в атмос-фере равна

9 з„ 10,45.1015Вт 1,045.108

-а^- 4п (10.103)2

Вт/м2.

А поскольку пронускательная способность равна 35%, то действительная плотностГ потока излучения на уровне земли составит

g, 1.045-108 2,91.106 вт/м^

13.8. ПОНЯТИЕ ЛОКАЛЬНОГО ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ

До сих пор предполагалось, что энергия излучения непрозрачных тел зависит только от их температуры и физических свойств. Спектральное распределение энергии излучения считалось независящим от характеристик падающего излучения. В целом это справедливо, потому что вся поглощенная доля энергии излучения, падающего на непрозрачное твердое тело, быстро перераспределяется по внутренним энергетическим состояниям в соответствии с равновесным распределением при температуре твердого тела.

В гаэе перераспределение энергии поглощенного излучения осуществляется путем различного рода столкновений между частицами газа: атомами, молекулами, электронами и ионами. В большинстве представляющих технический интерес случаев такое перераспределение происходит достаточно быстро и энергетические уровни газа будут заселены в соответствии с равновесным распределением, соответствующим локальным условиям. Если это справедливо, спектральное распределение излучения черного тела будет описываться законом Планка, а излучение элементарного объема газа - выражением (13.34). Допущение, что газ будет излучать в соответствии с выражением (13.34) независимо от спектрального распределения интенсивности пропускаемого и поглощенного объемом dV излучения, является следствием допущения о локальном термодинамическом равновесии . Когда это допущение не выполняется, расчет переноса излучения значительно усложняется.

Случаи, когда допущение о локальном термодинамическом равновесии несправедливо, довольно редки. Примерами могут служить очень разреженные газы, у которых частота и (или) эффективность столкновений частиц, приводящих к перераспределению поглощенной энергии излучения, низки; очень быстрые нестационарные процессы, в течение которых заселенность энергетических уровней не успевает прийти в соответствие с новыми условиями; очень большие градиенты, при которых локальные условия зависят от частиц, прибывающих из соседних областей с существенно отличными условиями, и испускание излучения

Полученное значение плотности потока излучения, падающего на поверхность земли в течение нескольких секунд, более чем в 4 раза превышает величину плотности потока излучения, достаточную, чтобы воспламенилась бумага. Более подробно задачи такого типа описаны в [10], где учитывается угол наклона к земле. Были исследованы варианты взрывов на больших, чем в примере 13.3, высотах. Полученные результаты представлены на фиг. 13.12.



может произойти до достижения равновесия; зкстремальные потоки излучения, при которых поглощение энергии, а следовательно, и заселенность верхних энергетических уровней столь велики, что за счет столкновительных процессов равновесная заселенность нижних уровней не будет достигнута. В любом из этих случаев спектральное распределение испускаемого излучения не будет описываться выражением (13.34) и для определения заселенности необходимо подробное исследование соотношения между столкновительными и радиационными процессами и их влияния на распределение энергии между различными возможными уровнями, что представляет собой крайне сложную задачу. Однако это необходимо делать при изучении ударных явлений (большие градиенты), звездных атмосфер (экстремальные потоки энергии и низкая плотность), ядерных взрывов (быстрые нестационарные процессы, большие градиенты, экстремальные потоки энергии), газодинамики полетов на больших высотах и в межпланетном пространстве (очень низкие плотности).

Газ с малой оптической толщиной может пропускать излучение из областей с весьма различными условиями. Поэтому отклонение от локального термодинамического равновесия в почти прозрачном или прозрачном газе более вероятно, чем в оптически толстом газе той же плотности.

Наиболее сильное отклонение от локального термодинамического равновесия наблюдается в лазерах. В них вещество с мета-стабильным энергетическим уровнем возбуждается некоторым внешним источником. Поско.льку возбужденное состояние является метастабильным и выбрано таким образом, что не существует какого-либо обратного процесса, стремящегося уменьшить его заселенность, последняя может достигать значения, существенно выше равновесного. Такое условие называется инверсной заселенностью. Затем вещество подвергается воздействию излучения с частотой, соответствующей переходу из возбужденного состояния в более низкое, что стимулирует такие переходы в веществе. Следовательно, будет излучаться большое число фотонов с указанной частотой и тем самым увеличиваться интенсивность падающего излучения. По первым буквам названия этого процесса light amplification by the stimulated emission of radiation (усиление света индуцированным испусканием излучения) и получил свое название лазер [laser).

Такого рода задачи с отклонением от локального термодинамического равновесия не рассматриваются в настоящей работе. Здесь будет предполагаться, что локальное термодинамическое равновесие существует всегда и что, хотя потоки, достигающие элементарного объема dV, исходят из областей с существенно иными температурами, испускание излучения объемом dV описывается выражением (13.34),

Литература

1. Langley S. Р., Experimental Determination of Wave-Lengths in Invisible Prismatic Spectrum, Mem. Natl. Acad. Set., 2, pp. 147-162 (1883).

2. Гуди P. M., Атмосферная радиация, изд-во Мир , 1966.

3. Проблемы физики атмосферы, под ред. К. Я. Кондратьева, Л., 1963.

4. Garden R., А Review of Radiant Heat Transfer in Glass, /. Am. Ceram. Soc, 44, № 7, pp. 305-312 (1961).

5. Чандрасекар С, Перенос лучистой энергии, ИЛ, М., 1953.

6. Kourganoff v., Basic Methods in Transfer Problems; Radiative Equilibrium and Neutron Diffusion, Dover Publications, Inc., New York, 1963.

7. Пеннер С. С, Количественная молекулярная спектроскопия и излуча-тельная способность газов, ИЛ, М., 1963.

8. Бонд Дж., Уотсон К., Уэлч Дж., Физическая теория газовой динамики, изд-во Мир , 1968.

9. Bates D. R. (ed.), Atomic and Molecular Processes, Academic Press, Inc.. New York, 1962.

10. Atlas R., Charles B. N., Atmospheric Attenuation of the Thermal Radiation from a High-altitude Nuclear Detonation, paper 64-318, AIAA, June 1964.

11. Kulander J. L., Non-Equilibrium Radiation, Rep. R64SD41, General Electric Co., June 1965.

12. Thomas R. N.. Some Aspects of Nonequilibrium Thermodynamics in the Presence of a Radiation Field, University of Colorado Press, Boulder, 1965.

13. Garbuny M., Optical Physics, Academic Press, Inc., New York, 196t>.

14. Aroeste H., Benton W. C, Emissivity of Hydrogen Atoms at High Temperatures, /. Appl. Phys., 27, pp. 117-121 (1956).

15. Meyerott R. E., Sokoloff J., NichoIIs R. A., Absorption Coefficients of Air, Rep. LMSD-288052, Lockheed Aircraft Corporation (AFCRC-TR-59-296), September 1959.

16. Мак-Адамс В. X., Теплопередача, Металлургиздат, 1961, стр. 87-175.

1. Пучок монохроматического излучения с длиной волны % = = 2,5 мкм и интенсивностью 9462 Вт/(м^-мкм) падает на слой газа толщиной 0,203 м. Газ имеет температуру 1110 К, его коэффициент поглощения равен 2,5 мкм = 6,56 м . Какова интенсивность пучка на выходе из слоя газа? Пренебречь рассеянием, но учесть собственное излучение.

Ответ: 7570 Вт/(м2-мкм).

2. Излучение от абсолютно черного источника с температурой 3000 К проходит через слой воздуха, температура которого

13.9. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

В данной главе введены некоторые основные понятия и определения теории излучения в газах. В последующих главах будет рассмотрено приложение этих понятий к задачам переноса излучения в газах. Было введено понятие индуцированного излучения; способ его учета в уравнении переноса энергии будет описан в гл. 14.



12 000 К, а давление 0,101 МН/м^. С учетом лишь нроходя-ш;его излучения (т. е. пренебрегая собственным излучением воздуха) найти длину пути, на которой поглотится 25% энергии при длине волны, соответствуюш;ей максимуму в спектре черного излучения. Ответ: 0,022 м.

3. Излучение с длиной волны 1,5 мкм проходит через газ с температурой 10 ООО К. Каково отношение истинного коэффициента поглоп],ения к коэффициенту поглош;ения?

Ответ: 1,62.

4. Тонкая черная пластина 1 X 1 см расположена в центре сферы, заполненной смесью СОа и воздуха, имеюп],ей температуру 2400 К и полное давление 0,101 МН/м^. Парциальное давление СОа равно 0,0606 МН/м^, диаметр сферы 1 м. Каков поток излучения, поглоп],аемого пластиной? Какова ее температура? (Считать поверхность сферы черной и достаточно холодной, так что она не участвует в теплообмене излучением.)

Ответы: 24,7 Вт, 1210 К.

5. С помощью фиг. 13.8 оценить интегральную поглощательную способность воздуха при температуре 12 ООО К и давлении 0,101 МН/м^ относительно солнечного излучения, проходящего в нем путь длиной 5 см.

Ответ: 0,58.

6. Исходя из спектральной поглощательной способности (фиг. 13.2), найти интегральную степень черноты СОг при температуре, давлении и длине пути, указанных в подписи к фигуре. Сравнить результат с полученным по фиг. 13.11 (или фиг. 17.11).

УРАВНЕНИЯ ПЕРЕНОСА ИЗЛУЧЕНИЯ В ИЗЛУЧАЮЩЕМ И ПОГЛОЩАЮЩЕМ

14.1. ВВЕДЕНИЕ

В гл. 13 были изложены основные понятия и определения, касающиеся интенсивности излучения и поглощения в среде. Излучение, распространяющееся в среде в определенном направлении, ослабляется вследствие поглощения и рассеяния и усиливается вследствие спонтанного и индуцированного излучения, а также излучения, рассеянного с других направлений. Как уже упоминалось в гл. 13, при выводе дифференциального уравнения, описывающего изменение интенсивности излучения вдоль некоторого направления в поглощающей и излучающей среде, будут использованы основные законы поглощения и излучения. Полученное в результате уравнение называется уравнением переноса. Влияние рассеяния в этой главе, а также в гл. 15-19 предполагается несущественным; оно будет рассмотрено в гл. 20.

В решение уравнения переноса вводится константа интегрирования, значение которой определяется интенсивностью в начале рассматриваемого пути излучения. Так как началом обычно является граница излучающей среды, то тем самым излучение на границе связывается с распределением излучения в среде.

Интенсивностью излучения называется поток излучения, распространяющийся в некотором направлении в единице телесного угла через единицу поверхности, перпендикулярную этому направлению. Для определения потока результирующего излучения, переносимого через некоторую поверхность, необходимо произвести интегрирование, учитывающее вклады интенсивностей со всех направлений. Это позволяет в результате получить выражение для потока излучения., которое используется при составлении уравнения теплового баланса в среде.

14.2. ОБОЗНАЧЕНИЯ

А - площадь;

а - коэффициент поглощения;

с - скорость света в среде;

D - расстояние между параллельными пластинами; отношение диаметров;



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