Теплообмен при пониженном давлении

Развитие новых областей техники и особенно космической техники вызвало повышенный интерес к исследованию процессов теплообмена в разреженных газах, когда необходимо принимать во внимание дискретную структуру газа. Это приходится делать в тех случаях, когда плотность газа настолько мала, что средняя длина свободного про­бега молекул соизмерима с харак­терным линейным размером L тела или процесса (толщиной погранично­го слоя, ударной волны, диаметром канала и т. п.).

Течение газа вблизи стенки для случая, когда средняя длина свободного пробега мала, но непренебрежима по сравнению с размером тела L или толщиной пограничного слоя δ, называется течением со скольжением. Этому типу течения соответствует интервал 0,01< l/ δ<1. Где l/ δ=Kn называется числом Кнудсена. При l/ δ<0,01 находится область обычной аэродинамики, где справедливы допущения о континууме среды. Если l/ δ>1, то эта область называется свободным молекулярным течением. В этой области изменения количества движения молекул за счет соударения молекул друг с другом много меньше, чем изменения за счет ударов молекул со стенкой или поверхностью тела. Поэтому для вычисления сил и тепловых потоков здесь достаточно рассмат­ривать удары потока молекул со скоростями и энергиями, которые распределены в соответствии с тепловым равновесием в свободном потоке, т.е. с распределением Максвелла. В области между сво­бодным молекулярным течением и течением со скольжением соуда­рения между молекулами и соударения молекул со стенкой одина­ково важны.

Для каждой области течения должны быть свои методы расчета теплообмена.

Полнота обмена энергией между молекулами и стенкой харак­теризуется коэффициентом термической аккомодации:

α = (е _п – е _о)/(е _п – е _ст), (21.1)

где е _п, е _о — потоки энергии падающих и отраженных молекул; е _ст — поток энергии, который уносился бы от стенки при полном энергообмене, т. е. при условии, когда энергия отраженных моле­кул соответствует температуре стенки.

Обмен импульсом характеризуется коэффициентом аккомодации касательного импульса:

, (21.2)

где u _п и u _o – тангенциальные скорости падающих и отраженных молекул; -осредненное значение тангенциальной скорости.

Если σ = 0, отражение от стенки полностью зеркальное, если σ = 1, - диффузное. Плотность теплового потока при свободномолекулярном течении определяется формулой:

q _св.м = α (е _п – е _ст). (21.3)

Коэффициент аккомодации α, входящий в расчетные формулы, может быть определен только экспериментально. Он зависит от при­роды газа и поверхности, на которой происходит аккомодация, а также от температуры и давления. К сожалению, эксперименталь­ные данные по коэффициентам аккомодации недостаточно надежны и противоречивы. Опыты обнаружили зависимость коэффициента аккомодации от условий, при которых находилась поверхность перед экспериментом, что существенно затрудняет обобщение опытных данных.

Поиск по сайту: