Особенности имитации условий космического пространства при наземных испытаниях, страница 12

«Теплопроводность – распространение тепла в объеме путем теплового движения, т.е. передачей кинетической энергии частиц вещества (молекул, атомов, ионов, электронов).

Конвекция – распространение тепла в объеме перемещением больших групп молекул и атомов или их потоков с температурой превышающей среднюю температуру среды в гравитационном поле под действием выталкивающей силы (закон Архимеда).

Теплопередача излучением – распространение тепла в объеме путем (или при помощи) электромагнитных колебаний, при этом часть внутренней энергии излучающих частиц вещества преобразуется в лучистую энергию, которая поглощается другими частицами вещества и превращается в энергию их теплового движения.»

В абсолютном вакууме конвективный тепловой поток q_Kи отвод тепла посредством молекулярной теплопроводности q_T равны нулю. В связи с этим, при экспериментах в вакуумных камерах, прежде всего, возникает необходимость создания условий q_K < q_Л и q_T <q_Л.

Рассматривая потоки q_K и q_T, прежде всего, отметим, что эти потоки определяются главным образом давлением среды, окружающей рассматриваемое тело. Так влиянием естественной конвекции на теплоотдачу можно пренебречь, если выполняется известное условие

           (3.1.28)

где R – радиус вакуумной камеры, г – радиус объекта.

Pr – критерий Прандтля (характеризует соотношение между интенсивностью молекулярного переноса импульса и интенсивностью переноса теплоты теплопроводностью в жидкостях и газах.). Он равен Pr = ν/а = ηс/λ, где ν – кинематическая вязкость среды, а –коэффициент ее температуропроводности, η ис – динамическая вязкость и удельная теплоемкость среды (для газов с = с_Р), λ – коэффициент теплопроводности среды.

Gr – критерий Грасгофа (определяет перенос теплоты для случая свободной конвекции). Он равенGr = α_i g l ³ ΔT/ν², где α_i – термодинамический коэффициент расширения – величина, характеризующая относительное изменение объема системы при изобарном увеличении на единицу ее температуры – ; g – ускорение силы тяжести, ν – кинематическая вязкость среды, l – характерный размер системы, ΔΤ – температурный «напор», равный абсолютной величине разности между температурами среды и стенки.

Поскольку величина  всегда больше единицы и ее максимальное значение равно 3,85 (при r = R), то условие (3.1.28) примет вид

                                                (3.1.29)

Это значение PrGr отвечает горизонтальному расположению объекта и камеры. В случае вертикального расположения объекта и камеры справедливо условие

                                              (3.1.30)

В проводимых далее оценках принято, что PrGr = 1000. ПроизведениеPrGr для рассматриваемого случая можно представить в виде

                                    (3.1.31)

где g - ускорение силы тяжести; β – коэффициент объемного расширения среды (β = 1/273); l – характерный размер области занимаемой процессом; ΔT - разность температур объекта и камеры; ν – кинематический коэффициент вязкости среды, а - коэффициент температуропроводности среды.

Характерный размер l определяется по формуле l= R – r. Поскольку

,

где ρ – плотность; λ – коэффициент теплопроводности; μ - динамический коэффициент вязкости, произведение Pr Gr прямо пропорционально квадрату давления, так как μ, λ и С_V не зависят от давления в достаточно широкой области его изменения.

Для вакуумной камеры давление воздуха, при котором q_K → 0 возможно оценить следующим образом. Положив в формуле (3.1.31) PrGr = 1000, получим

откуда  или

где (νa/gβ)_p=1 определено при р=98066,5 н/м² (1 атм), Р_пред – давление, ниже которого конвективный теплообмен можно не учитывать.

Результаты расчетов представлены на рисунке 3.1.5. в виде зависимости от lglпри различных температурах t =(t₁+t₂)/2. Линии на рисунке 3.1.5. показывают нижнюю границу давлений, при которых уже нет естественной конвекции. Как видно, величина р_пред уменьшается с увеличением l, ΔT и уменьшением средней температуры t. Например, при l = 1,0 м, ΔT = 700°К и t = 350°С предельное давление р_пред = 0,5 мм рт. ст. Для большинства практически интересных случаев давление в камере, равное 0,1…0,01 мм рт. ст. является заведомо достаточным. Создание такого разрежения не является проблемой, и поэтому задача снижения конвективной теплоотдачи до нуля, решается сравнительно просто.