Индексы

ст – стенка;

ср – средняя;

пад – падающий луч;

отр – отраженный луч;

погл – поглощенный луч;

пр – прошедший через тело луч;

отр(R) – отражательная скорости тела;

погл(A) – поглощательная скорости тела;

пр(D) – пропускная скорости тела;

Пр – приведенная;

Э – экран, эквивалентный;

п – количество, потери;

пл - пламя;

Л – лучистый;

К – конвективный, контактный;

∑ – суммарный;

г – газы, горячий газ;

ох – охладитель;

абл – абляция;

min – минимальный;

max – максимальный;

т.а. – теплообменный аппарат;

М – параметры, относящиеся к модельному образцу;

Н – параметры относящиеся к натуральному образцу;

прот – противоток;

прямот – прямоток;

перек – перекрестный;

ф – форма;

доп – допустимый.

Предисловие

Настоящее пособие разработано в соответствии с рабочей программой дисциплины «Термодинамика и теплопередача» по направлению подготовки 162001 Эксплуатация воздушных судов и организация воздушного движения и профилю подготовки «Организация технического обслуживания и ремонта воздушных судов» для авиационных вузов и отражает специфику задач, стоящих перед будущими авиационными специалистами.

При создании пособия автор исходил из необходимости в небольшом объёме изложить теоретические основы газовой динамики на уровне современных достижений науки, подчинив изложение материала задачам подготовки авиационного инженера (специалиста).

В соответствии с этим настоящее пособие отлично от других аналогичных изданий большим вниманием к физической сущности изучаемых явлений, несколько иным распределением материала по темам и авиационной направленностью. В частности, здесь более подробно описаны основные уравнения газовой динамики, их применение к элементам ГТД, термодинамика газового потока, что вызвано важным значением этого раздела для подготовки авиационных специалистов; изложение материала построено на примерах авиационной техники, сопровождается решением конкретных задач по тематике рассматриваемых вопросов.

В своей работе автор опирался на многолетний учебно-методический опыт высших авиационных ВУЗов Министерства обороны (ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, Киевское ВВИАУ, Ломоносовское ВАТУ, Санкт-Петербургского ГУГА) и вместе с тем использовал материалы открытой отечественной и зарубежной литературы.

Автор выражает глубокую признательность рецензентам пособия:

за высказанные ими предложения, направленные на улучшение рукописи. Особую благодарность автор выражает студентам инженерно-технического факультета СПГУ гражданской авиации Межину К.А., Байбородиной М.В., Лазареву В.В., Говорову А.Г. в наборе текста и выполнения иллюстраций к данному пособию.

ВВЕДЕНИЕ

Теплопередача (теория теплообмена) – наука о процессах распространения тепла; она изучает закономерности различных способов переноса тепла и устанавливает температурные состояния тел, участвующих в теплообмене. Методы этой науки лежат в основе расчёта и анализа работы теплообменных аппаратов и систем тепловой защиты, ра

счёта температуры элементов конструкций.

Тепловыми явлениями учёные интересовались ещё в древности. Однако подлинно научное изучение этих явлений началось только в 19 веке после создания первого теплоизмерительного прибора – термометра, позволившего заняться количественными исследованиями тепловых процессов и установить такие важные понятия, как количество теплоты, температура, теплоёмкость, скрытая теплота и др.

Тогда же определились два основных направления развития представлений о природе тепла. Одни учёные рассматривали теплоту как особое вещество (теплород), другие считали её результатом движения отдельных частиц тела. Наиболее ярким и последовательным сторонником этого направления был М.В. Ломоносов В работе «Размышления о причинах теплоты и холода» (1750) М. В. Ломоносов решительно опроверг теорию теплорода и сформулировал теорию теплоты, базирующуюся на представлении о тепле как форме движения материи. В своих работах он развивал и другие вопросы теории теплоты, создал наиболее законченную для того времени молекулярно – кинетическую теорию газов.

Новый этап в развитии теории теплоты, и прежде всего термодинамики, относится к первой половине 19 века. В 1824г. в первом фундаментальном труде по термодинамике С. Карно доказал теоремы, определившие наибольший коэффициент полезного действия тепловых машин. Эти теоремы позволили впоследствии сформулировать (В. Томсон, Р. Клаузиус) один из основных законов природы – второй закон термодинамики.

В 40-х годах в результате исследований Р. Майера, Д. Джоуля и других был установлен принцип эквивалентности взаимопревращения тепла и работы и на этой основе открыт закон сохранения и превращения энергии – первый закон термодинамики. Установление первого и второго законов привело к созданию стройной теории термодинамики; последняя в середине 19 века сформировалась в самостоятельную науку, сыгравшую решающую роль в развитии теплотехники и тепловых двигателей, в частности.

В дальнейшем методы термодинамики вышли за пределы теплотехники и нашли широкое применение в ряде других областей науки и техники. Современная термодинамика состоит из нескольких самостоятельных направлений: общая термодинамика, техническая термодинамика, химическая термодинамика и др.

Значительную роль в развитии различных направлений термодинамики сыграли отечественные учёные. Д. И. Менделеев внёс большой вклад в теорию критического состояния вещества, Г. Г. Гесс открыл основные законы термохимии, В. И. Гриневецкий заложил основы термодинамического анализа двигателей внутреннего сгорания.

Наряду с общетеоретическими исследованиями широкое развитие получили приложения термодинамики к различным областям техники. Эти исследования способствовали дальнейшему совершенствованию техники, в частности созданию мощных паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных установок.

Успехи термодинамики имели важное значение для развития авиации, ракетной техники, атомной энергетики. Большой вклад внесён учёными таких научных центров, как ВТИ им. Ф. Э. Дзержинского, ЦКТИ им. И. И. Ползунова, Энергетический институт им. Г. М. Кржижановсого, МЭИ, ЦИАМ им. П. И. Баранова, ВВИА им. профессора Н. Е. Жуковского и др.

Первое научное исследование в области теплопередачи – работа И. Ньютона «О шкале степеней тепла и холода» - относится к 1701г. Её результаты установили важную закономерность теплообмена, описываемую формулой, называемой именем И. Ньютона. Позже, независимо от Ньютона, но более широкой и точной постановке, аналогичные исследования выполнил петербургский физик Г. В. Рихман (1750). В начале 19 века была создана математическая теория теплопроводности (Ж. Фурье). Вместе с тем систематические исследования различных способов переноса тепла начались позже, в конце 19 века и в начале 20 века, когда были установлены основные закономерности теплового излучения, сформулированы способы решения задач конвективного теплообмена, разработаны методы физического эксперимента, получены обширные опытные данные по теплоотдаче. Важное значение имела теория эксперимента - теория подобия, в развитие которой большой вклад внесли отечественные учёные (М. В. Кирпичёв, А. А. Гухман и др.)

Развитие авиации, ракетно-космической техники и ядерной энергетики дало новый толчок расширению и углублению исследований в области теплопередачи. Высокий уровень температур в авиационных ракетных двигателях, кинетический нагрев летательных аппаратов при сверхзвуковых и особенно при гиперзвуковых скоростях полёта, высокая интенсивность процессов в ядерных реакторах потребовали разработки сложных способов точного определения температуры деталей конструкций, создания компактных теплообменников и надёжных методов тепловой защиты.

Успешное решение этих вопросов стало возможным благодаря достижениям теории теплообмена. Были вскрыты особенности теплоотдачи при больших скоростях и температурах газа, определены характеристики теплового излучения в условиях высоких давлений и температур, разработаны теоретические методы решения разнообразных задач теплопередачи.

Существенный вклад в развитие теплопередачи сделан советскими учёными М. А. Михеевым, Г. Н. Кружилиным, В. С. Авдуевским, С. С. Кутателадзе и другими, создавшими отечественную школу теории теплообмена, которая получила всемирное признание.