Глава 18. ТЕПЛООБМЕН В РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗАХ

18.1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА В РАЗРЕЖЕННОМ ГАЗЕ

Вопросы теплообмена в разреженном газе имеют серьезное значение в технологических процессах при глубоком вакууме и в расчетах теплового режима тел, летающих в верхних слоях атмосфгры. Согласно молекулярно-кинетической теории газов кинематическая вязкосгь, характеризуюдзя скорость распространения сдвиговых возмущений,

    (18.1.1)

а температуропроводность, характеризующая скорость распространения тепловых возмущений,

    (18.1.2)

Здесь — средняя длина свободного пробега молекул, a — средняя арифметическая скорость молекул.

Следствием этих соотношений является увеличение толщины пограничного слоя с уменьшением плотности. При этом возможны такие условия, когда допущения в выводе уравнений пограничного слоя становятся неприемлемыми: течение даже при больших скоростях может стать ползущим.

Когда плотность газа столь мала, что средняя длина свободного пробега молекул Т соизмерима с характерным линейным размером L тела или толщиной пограничного слоя, ударной волны и т. п., газ нельзя рассматривать как сплошную среду. Отношение средней длины свободного пробега к характерному линейному масштабу называется числом Кнудсена и характеризует степень разреженности газа. Дискретность структуры газа проявляется при значениях числа .

При числах процессы переноса в газах практически перестают зависеть от столкновения между молекулами. Такой режим физических переносов в газе называется свободно-молекулярным. Между континуумным и свободномолекулярным режимами существуют промежуточные режимы, специфические особенности которых определяются условиями течения. Область разреженных газов охватывает для покоящегося газа диапазон значений , для движущегося — режимы от весьма вязкого ламинарного течения до свободно-молекулярного.

Число Кнудсена имеет глубокую связь с газодинамическими параметрами М и . Из кинетической теории газов следует, что

    (18.1.3)

Таким образом, если характерным размером является размер тела (свободно-молекулярный поток), то

    (18.1.4)

если же толщина ламинарного пограничного слоя, то

    (18.1.5)

Следовательно, при поток сплошной, при — свободно-молекулярный.