Оцисик М.Н. - Сложный теплообмен

М. Н. ОЦИСИ1» М. г1ЕСАТ! 071$1К Перевод с английского !!АО!АТ!ЧЕ Т!!Ай!КГЕ!! Ай!О !й1ТЕ!!АСТ!Ой!Ь %!ТН СОй!ООСТ!Ой! Аг!О СОй!ЧЕСТ!Ой! Рго!еааог, Меспап1са! апо' Аегоарасе Вп«1пеег1пп й!ог1п Саго11па Зга1е !!и!гега!1у А %11еу-! п1егас!епсе Рпьксаиоп аппп %11еу сг Яапа, 1!еч~ Уог1г ° Ьопооп ° Яуопеу ° Тогоп1о СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН Под редакцией Д Ра техн наУк Н А АНФИМОВА Издательство «Мир» Москва 197б УДК 536.3 Редакция литературьг по новой техника м.

меслтг 021?гк 36363 †!82 бч!(6!) †?6 В книге широко представлены математические методы решения задач теплообмена излзченнсн в прозрачных и непрозрачных средах. Рассматриваются особенности процесса теплообмена при одновременном переносе энергии излучением, теплопроводностью и конвекцией. Книга может служить справочным руководством по методам решення различных задач сложного теплообмена. Опа предназначена для научных работников и инженеров — специалистов в области теплотехники, энергетики, ракетной и космической техники, физики атмосферы, а также во многих других областях, для которых существенную роль играют процессы теплообценз излуче.

инеи. Кроме того, книга может быть рекомендована в качестве учебного пособия для студентов и аспирантов, специализирующихся в области теплообменж ВАй)АТ1НЕ ТЙАЫЕЕЕк АЫ?) 1ЫТЕкАСТ10МЕ тН1ТН СОЫпг)СТ10Ы АЫ?) СОЫНЕСТ10Ы Соруивш Ф 1973, Ьу доьп Туг!еу апд Еопз, 1пс А!! г!ийз гезегчей. Ап!Ьог!хед Тгапз!анап 1гош Епя!!зЬ 1апясаяе едй!оп рцЫ!зйей Ьу доЬп гН!!еу апд Еопз, 1пс. Щ Перевод на русский язык, «Мир«э !976 ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ИЗДАНИЯ 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 являегся определяющим.

Поэтому не удивительно, что уже в течение многих десятилетий в этой области проводятся теоретические и прикладные исследования. Опубликован ряд монографий по теплообмеиу излучением как в Советском Союзе, так н за рубежом. Тем не менее в последнее время в научной литературе по теплообмену отмечается повышенный интерес к теплообмеиу излучением в связи с его принципиальным значением для таких объектов ионой техники, как космические аппараты, энергетические установки, основанные на новых принципах, оптические квантовые генераторы, термоядерные устройства и т.

д. Вследствие такого повышенного интереса к практическим приложениям предъявляются новые более строгие требования к теории теплообмена излучением как в отношении описания протекающих процессов, так и в отношении описания сложного теплообмена, происходящего прн 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- Предислоеие Посвящается Хакану Н, А, Анфимов $ 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 теплообмеиа излучением. При переводе книги на русский язык мы старались придерживаться терминологии, предложенной Комитетом научно.техническои терминологии АН СССР (Теория теплообмена, Сборник рекомендуемых терминов, изд-во «Наука», М., 1971). Перевод книги выполнен кандидатом технических наук А. А. Васильевым (гл. 1 — 5, 9, 10), кандидатом технических наук В. А. Зейгарником (гл. 6 — 8, 11, 12) и В.

В. Альтовым (гл. 13 и 14). 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 этои 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 теплообмсиа 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 пе только в прозрачных, но и в поглощающих, излучающих и рассеивающих средах, а также взаимодействия излучения с другими видамп теплопередачи.

Поэтому эта книга была задумана как учебное пособие по курсу переноса излучения, а также как справочник для научных работников и инженеров, работающих в этой области. В первых двух главах дан обзор основных уравнений и фундаментальных положений, необходимых для изучения переноса излучения в прозрачных, а также поглощающих, излучающих и рассеивающих средах; здесь же рассматриваются радиацпонные свойства материалов. Остальные двенадцать глав могут быть разделены на две независимые части: перенос излучения в прозрачных средах (гл. 3 — 7) и перенос излучения в поглощающих, Предисловие излучающих и рассеивающих средах (гл.

8 — 14). Математическое описание переноса излучения в прозрачных средах относительно простое. Пользуясь 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 получены 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 переноса излучения для поглощающих и изотропно рассеивающих плоскопараллельных сред. Этот эффективньш 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 онп 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 переноса излучения, приведенные в гл. 8 и 9, широко используются в гл. 11 — 14, в которых рассматриваются приложения. Гл. 11 посвящена приложениям теории теплопередачи излучением в плоскопараллельном случае поглощающей, излучающей и рассеивающей среды, в то время как в гл.

12 — 14 рассматриваются соответственно взаимодействие излучения с теплопроводностью, течение в пограничном 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 шн-и, Дж. И. Сандерлепду, Р. С. Торсену, Р. Висканта, Дж.

К. Уильямсу 1П за их полезные замечания н И. е)енеру за внимательное чтение корректуры. М Н, Оииеин Рллей, Севернаа 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.