В. П. Исаченко, В.А. Осипова, А. С. Сукомел - Теплопередача (1013600), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Пря нагреве газа его вязкость повьпцаетсн. В результате в некоторых устройствах турбулентный пограничный ело(г может перейтп влаиииариый. ят е. ТяплаОтдАчА рАзрежаннык ГАВОв При рассмотрении процессов конвектнвного теплообмена ны нсхо. дили из предполоукеиия, чта газ можно считать континуумом, т. е.
пренебрегать ого дискретныяг строенпеы. Однако при малых абсолютных давлениях (влц малых размерах тел, участвуюуцих в теплообмене с газом) явление передачяя тепла можно объяснить только н том случае, если прина~о эо внимание ыолекулярное строение вещества. При этом представление газа в виде ковтннууыа оказывается непригодным. Прн течении разреженного газа изменяются и граничные условна. Газ, непосредственна прилегающий к поверхности омываемою тела, яе имеет скорости и температуры поверхности тела, т. е. на границе раздела имеютместо ескольженнен газа и скачок температур. Как известно, газ яюжно представить в паде множества молекул, лвнжущихся прямолинейно па всех направлениях.Прн своем движении молекулы нерварежениого газа непрерывно стзлниватотся друг с лругоы.
В результате столкновений скорости н направления движения молекул изменяются. По мере уменьшения давления соударения молекул происходят все реже и реже. Средняя длина пути Т, проходимого молекулой между двумя последовательными соудареннямп с другими молекулами, называется средней длиной свободного пробега. 11з кинетической теории газов известно, что ! 1 .=-- — ' )'2 (! 1-2?) где с †- средняя скорость молекул газа, лг(с; и†число столкновений за ! с; и†число л~олекул в единице объема; о — эффективное сеченяе молекулы.
Эффективное сечение определяется расстоянием, на которое сблп- жак~тся молекулы при столкновении, т. е расстояпнеь, при котором сила взаимодействия между.молекулами вызывает заметное изленение . пап веления их лепження, 2 -слн представить соударяющпеся молекулы в виде жестких гпариков, то эффективное сечение о будет равно пп"", где 3= — ггч-гх, а г, н гав радиусы сталкивающихся ьголекул. Для обычных молекулярных газов пря нормальных условиях (дав- ление около 0.1 МПа и температура 273 К) средняя длина свободного пробега нчеет величину порядка !О г и. Величина 7, как следует из формулы (11-27], обратно вропорцвональна числу молекул е единице объема н, следовательно, обратно пропорциональна давлению. При низ.
кнх давлениях средняя длина свободного пробега достигает очень боль- ших значений. Так, иаприьгер, црп р=0,133 Па средняя длина свобод- ного пробега достигает примерно 7 см, а пра р=О,!33 ° 10-з Па— около 7 км. Таким обрааом, чем меньше давление газа, тем больше 7 и тем меньше вероятность соударения молекул. При низких давленнях моле- «улы могут пролетать расстоянии от одной стенки канала к другой, не сталкиваясь друг с другозь Согласно форыуле (11-27) 1 обратно пропорциональна эффектив- ному сеченшо молекулы о, которое зависит от скорости молекул, так как прн одной и той же силе взаимодействия быстрые молекулы испы- тывают меньшее отклонение от своего пути, чем ыедленные. Поахал~у чеи больше скорость молекул, тем болыпе должна быть сила, вызываю- щая нх отклонения, тем меньше должно быть расстояние между ними прн столкновении н, следовательно, тем меньше должно быть расчетное поперечное сечение молекулы.
Так как кинетическая энергия нолекул является мерой температуры газа, то и уменьшается с увелнчением 1, а средняя длина свободного пробега увеличивается. Таким образом, среднян величина свободного пробега молекул увеличивается прп понижении давления и увеличении текперату- ры газа. Прн своем даижеяни молекулы могут столкнуться с поверхностью тела. Полагают, что после удара молекула может или зеркально отра- зиться от поверхности, или некоторое время оставаться ив поверхности, а затем уже перейти в объем газа. Продояжительность пребывания молекулы на поверхности зависит от места и природы поверхности и природы самой молекулы, теьшературы поверхности, кинетической энергив ыолекулы н некоторых других факторов.
Явление задержки молекулы на поверхности тела называется адсорбцней. Реэмнссня (непускание) адсорбированных хюлекул происходит так, что молекулы 233 симметрично рассеиваются по всем направленвям полусферы — процсход!гг дуффуз нос непускание молекул'. Характер взаимодействия молекул газа со стенкой имеет важноЕ значение лля оценки теплсютдзчи Теплоотдача происходит вследствие обмена энергией между молекулами и поверхностью тела.
Когда молекула падает на поверхность тела, она может отдать последней определенную энергию. Полагают, что полный теплсобмен происходит тогда, когда время пребывания молекулы на поверхности много сюльше периода колебаний молекул тела. Если арена контакта меньше, теплообмен не будет полным. Степень «полногьм теплообмена характернзуют коэффициенты акко- и о д а ц н н, опредсляемые очедующим выражением: д — и (11-28) адесь Š— средняя энергии молекулы, падающей на поверхности тела. Ео — средняя энергия той же молекулы после ее контакта с телом (еотраження» от тела); Ес — средняя энергия молекулы, сишветсгвующая температуре поверхности стенки.
Такам образом, коэффициент аккоьюдации представляет собой отношение действительного обмена энергией к максимально поаможному. При мгновенном зеркальном отражении молекулы ее энергия нс изменяется, т. е. Е =Ее и у=-О. При полном обмене энергией Ее=Е, н у 1. В проь~ежуточных случаях Ее принимает значение между Е ч Е, н величина коэффшгиента аккомодацни меняется тогда между О и 1. В общем случае можно определять коэффициент аккоьтодации для различных категорий энергии молекул (энергии поступательного движения и энергии вращения и колебання).
Так как для воабуткдения колебательных степеней свободы требуется много соударения, то обычно коэффициент аккомодапни колебательптий энергии приинматот равным нулю. Понятие козффнциента аккомодации используют также для характеристики энергообмена совокупности молекул. В этом случае в уравнении (!1-28) под Е, Е, и Е, подразумеваются не энергии одиночной ьшлекулы, а стютветствующне знергии совокупности молекул. учитывая, что температура газа рассматривается как величина, пропорциональная средней кинетической энергии сопокупноств молекулез, часто вместо (!1-28) полагают: (! 1-29) Переход пт определения (!1-28) к опрепеленннт (!1-29) является оправданным для одноатомногп идеального газа; для других газов этот переход следует с ~нтать приближенным приемом.
Как следует иа определения коэффициента аккомодацнн, его значение зависит от температуры поверхности тела и разности температур ' Прн знффузно н лусканов ззотнссть потока мо екуз мекснмззм~а в нзпрзвзе. орм льном к тесу. Позмвмт, то возноси патока мслекутз в оронзвсзьвом взпра еспнн по усферм рз вв Г соз Р, гпе 1 — пвопксть потока е нвпрмппме ноРмавн;  — утоз.
англо мвзсмна ст кзпрзвзп в норме н тс у. Темоервтур» Ть шаврин~во в знертет псквз енннвпвх, например нмоузак, сваю з с темртерзтуроа Т, пзм репнов «е нзз, пкпно енн Т,=-ЗТ. Зне ь З вЂ” остозвввв Возшмввн, чнсзенно рвы~а» 1,88.10™ Лжец. газа и поверхности илн, точнее говоря, от разности энергии падагощих молекул и той энергии, которую имели бы молекулы газа при температуре поверхности.
Коэффициент аккомодапии зависит от природм газа и поверхности, на которой происходит аккомодация. Как показывают исследования, коэффициент аккомодашш зависит ат давления в потоке газа, его скорости относительно стенюг, наличия на этан стенке адсорбнроваиного газа (что ао гыюгом зависит от предысторнн процесса). Вероятность адсорбцни и ее время зависят от количества папающнх На поверхность молекул, так как от последних зависит состояние адсорбнрованных своев. Все это создает большие трудноств для опрелеления коэффгщиептов аккомодапни.
Трудности теоретического исследования усугубляются недостаточным знанием структуры поверхношных слоев твердых и дгидких тел. В настоящее время у определяют экспериментальным пугем Полученные значения у лежат в пределах примерно от 0,02 до 1. Современные исследования чаще приводят к результатам, согласно которым коэффициент аккомодацни близок к единице. Удары молекул о поверхность тела приводят также к обмену количеством движения между молекулами и стенкой.
Этот обмен характеризуют коэффициентом о блесна количеств а д виже и на й Согласно определению иг — мг зг (!1-30) здесь с„, — составляющая скорости падающей молекулы, направленная вдоль стенки; с*ч — та же составляющая, но после отражения молекулы (стенка считается неподвижной); т — масса молекулы. Практически ) опрелеляется только для большого числа молекул, рассматриваемых одновременно. В случае зеркального отражения с „=-с, з и )=О. В случае диффузной реэмиссии в среднеы для молекул г ь=О и, следовательно, в среднем 1=1. При частично зеркальном и частично диффузном отражении козффнциепг обмена количеством движении имеет значение межпу Он!. Коэффициент й иах и коэффициент аккомопации у, зависит от большого количества факторов, отражаюц!нх конкретные условия взаимодействия молекул газа со стенкой. В частностн, ) зависит от природы газа и приропы стенки, скорости газового потока как целого и других факторов.
Дискретное строение газа и связанный с этим характер взавмодействия молехул со стенкой приводит, «ак отмечалось рансе, к скачку температур и скачку скорости (скольжениго) на поверхности тела. Скольжение газа вдоль стенок объясняется большой длиной свободного пробега по сравнению с характерными размерами тела. В отличие от плотного газа молекулы разредгенного могут не иметь соударений с другими молекуламн нли число соударений будет сиодиться к минимуму. Вследствие этого молекулы газа, подлетагощне из поюка к стенке, илгеют,тангенциальные составляющие скорости, в среднем не равные нулю.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
