6. Требования к методу расчета радиационного теплообмена, учитывающему сложные виды взаимодействия и переменные теплофизические и термооптические свойства

Проведенный анализ конструкции радиационных экранов позволяет установить, что расчет теплового режима обсерваторий должен быть проведен с учетом непланковского спектра излучения поверхностей и переменности их теплофизических и термооптических свойств. Кроме того, необходимо учитывать отклонения формы поверхности экрана от номинальной.

Реализованные в существующих программных комплексах расчета радиационного теплообмена алгоритмы не позволяют производить расчет с выполнением всех указанных требований, что вынуждает разрабатывать новый способ расчета и искать пути его программной реализации.

Проведенный обзор литературы позволяет утверждать, что новый способ расчета может быть построен на методе многократных отражений со статистическими испытаниями. Реализацию метода целесообразно производить с использованием задела, созданного в области синтеза реалистичных трехмерных изображений. Это позволит использовать имеющиеся программные и аппаратные средства, и сократить тем самым время расчета угловых коэффициентов и лучистых потоков от внешних источников излучения.

2. Расчет радиационно-кондуктивного теплообмена

Радиационный теплообмен – один из трех фундаментальных видов теплообмена наряду с кондуктивным теплообменом (теплопроводностью) и конвекцией, характеризующийся переносом тепловой энергии излучением. Радиационный теплообмен, совместно с теплопроводностью, в основном определяет тепловые режимы космических аппаратов.

1. Допущения и предположения

При расчете теплообмена необходимо составить уравнения теплового баланса для всех рассматриваемых элементов системы, то есть определить внешние лучистые потоки, испускаемые и поглощаемые потоки, а также потоки, возникающие за счет теплопроводности. Вид уравнений теплового баланса, а также способ их получения зависят от принятых допущений и предположений о свойствах исследуемой системы. В настоящее работе:

• решается нестационарная задача радиационно-кондуктивного теплообмена;

• исследуемая система представляется в виде набора трехмерных и двухмерных конечных элементов;

• материал трехмерных элементов не пропускает излучение;

• материал двумерных элементов достаточно тонкий и взаимодействует с излучением без преломления;

• исследуемая система является незамкнутой, то есть весь поток излучения или его часть могут выходить за пределы рассматриваемой области;

• распределение температуры и теплового потока по элементам на каждом шаге времени принимается равномерным;

• спектр излучения может определяться как законом Планка, так и задаваться явно;

• конвективный теплообмен отсутствует;

• материалы исследуемой системы считаются изотропными;

• теплоемкость и теплопроводность материалов зависят от температуры и времени;

• термооптические свойства поверхностей зависят от температуры поверхности, времени, длины волны падающего излучения и направления его падения;

• излучение взаимодействует с материалом посредством отражения (зеркального и диффузного), поглощения и пропускания;

• внешние источники излучения точечные, излучающие равномерно во все стороны;

• координаты внешних источников излучения зависят от времени;

• в качестве граничных условий задаются мощности тепловыделения в элементах и/или их температуры, зависящие от времени;

• излучение происходит равномерно со всей грани элемента;

• поглощение излучения происходит равномерно по всему объему элемента.

Решение задачи с указанными предположениями о свойствах исследуемой системы производится численно. Непрерывный интервал времени, на котором необходимо найти решение, разбивается на шаги. На каждом шаге по времени рассчитываются мощности испускаемого и поглощаемого элементом излучения и мощности теплообмена элемента с соседними элементами за счет теплопроводности.