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1、1 一一圆圆柱柱型型空空腔腔的的直直径径为为d =10 cm、深深度度为为l = 40 cm , , 炉炉腔腔内内壁壁面面发发射射率率为为 = 0.2 ，空腔内壁面温度为，空腔内壁面温度为727 。 试问试问: : （1 1）单位时间内从空腔发射出多少辐射能？单位时间内从空腔发射出多少辐射能？ （2 2）如如果果空空腔腔所所在在的的室室内内周周围围壁壁面面温温度度为为27 ，单位时间内空腔的净辐射散热损失为多少？，单位时间内空腔的净辐射散热损失为多少？ （3 3）如如果果保保持持空空腔腔的的几几何何尺尺寸寸不不变变，将将空空腔腔设设计计成成发发射射率率大大于于0.99的的人人工工黑黑体体腔腔，
2、试试问问空空腔腔内内壁壁面面的发射率至少多大？的发射率至少多大？2 解解：（1 1）假假设设空空腔腔开开口口为为一一温温度度为为0K的的黑黑体体表表面面2 2，则则空空腔腔内内壁壁面面1 1与与该该黑黑体体表表面面2 2间间的的辐辐射射换换热热量量即即为从空腔发射出的辐射能，为从空腔发射出的辐射能， 3 （2 2）单位时间内空腔的净辐射散热损失）单位时间内空腔的净辐射散热损失4由上式可解得由上式可解得由上式可解得由上式可解得 (3) (3) (3) (3) 依依依依题题题题意意意意，设设设设空空空空腔腔腔腔内内内内壁壁壁壁面面面面的的的的发发发发射射射射率率率率至至至至少少少少为为为为 ，则则
3、则则从空腔口发射的辐射能为从空腔口发射的辐射能为从空腔口发射的辐射能为从空腔口发射的辐射能为5 预设计一个开口半径为预设计一个开口半径为预设计一个开口半径为预设计一个开口半径为r r = 1cm = 1cm、开口发射率为、开口发射率为、开口发射率为、开口发射率为0.9990.999 的球型人工黑体腔的球型人工黑体腔的球型人工黑体腔的球型人工黑体腔, , , , 已知空腔内壁材料表面黑度为已知空腔内壁材料表面黑度为已知空腔内壁材料表面黑度为已知空腔内壁材料表面黑度为0.90.9 , , , , 试确定黑体腔半径试确定黑体腔半径试确定黑体腔半径试确定黑体腔半径R R的大小。的大小。的大小。的大小。
4、 解：根据发射率的定义，解：根据发射率的定义， 从人工黑体腔开口发射出去的辐射能为从人工黑体腔开口发射出去的辐射能为从人工黑体腔开口发射出去的辐射能为从人工黑体腔开口发射出去的辐射能为 式式式式中中中中E为为为为人人人人工工工工黑黑黑黑体体体体腔腔腔腔开开开开口口口口的的的的辐辐辐辐射射射射力力力力，Eb为为为为温温温温度度度度等等等等于于于于人人人人工工工工黑黑黑黑体体体体腔腔腔腔温温温温度度度度的的的的黑黑黑黑体的辐射力。体的辐射力。体的辐射力。体的辐射力。6可可可可以以以以看看看看出出出出，空空空空腔腔腔腔的的的的开开开开口口口口相相相相对对对对于于于于空空空空腔腔腔腔内内内内表表表表面
5、面面面积积积积愈愈愈愈小小小小，内内内内壁面发射率愈大，人工黑体愈接近于绝对黑体。壁面发射率愈大，人工黑体愈接近于绝对黑体。壁面发射率愈大，人工黑体愈接近于绝对黑体。壁面发射率愈大，人工黑体愈接近于绝对黑体。7 有有有有两两两两个个个个薄薄薄薄金金金金属属属属板板板板做做做做成成成成的的的的长长长长同同同同心心心心套套套套管管管管1 1、2 2，直直直直径径径径分分分分别别别别为为为为d d1 1 = = 5cm5cm和和和和d d2 2 = = 10cm10cm，温温温温度度度度分分分分别别别别为为为为t t1 1200200和和和和t t2 2100100，表表表表面面面面发发发发射射射射
6、率率率率均均均均为为为为0.80.8，如如如如果果果果忽忽忽忽略略略略通通通通过过过过端端端端部部部部边边边边缘缘缘缘和和和和周周周周围围围围环环环环境境境境的的的的辐辐辐辐射射射射交交交交换换换换，试试试试求求求求单单单单位位位位长长长长度度度度套套套套管管管管间间间间的的的的辐辐辐辐射射射射换换换换热热热热量量量量；如如如如果果果果在在在在两两两两个个个个套套套套管管管管间间间间插插插插入入入入另另另另一一一一个个个个直直直直径径径径为为为为d d3 3 = = 7.5cm7.5cm、同同同同样样样样长长长长度度度度的的的的薄薄薄薄金金金金属属属属管管管管3 3，其其其其表表表表面面面面发
7、发发发射射射射率率率率为为为为0.050.05，并并并并且且且且保保保保持持持持和不变，则单位长度套管间的辐射换热量减少为多少？和不变，则单位长度套管间的辐射换热量减少为多少？和不变，则单位长度套管间的辐射换热量减少为多少？和不变，则单位长度套管间的辐射换热量减少为多少？ 8 解：解：插入薄金属管前插入薄金属管前插入薄金属管前插入薄金属管前 插入薄金属管后插入薄金属管后插入薄金属管后插入薄金属管后 9 作作作作业业业业：8 8 8 829292929，8 8 8 842424242，8 8 8 84444444410载人飞船座舱内热状态载人飞船座舱内热状态的地面模拟的地面模拟张张 学学 学学1
8、1主要内容主要内容一、载人飞船的热控制技术简介一、载人飞船的热控制技术简介二、载人飞船座舱内空气对流换热的地二、载人飞船座舱内空气对流换热的地 面模拟面模拟12 一、一、载人飞船热控制技术简介载人飞船热控制技术简介 1. . 载人载人飞船热控制的目的飞船热控制的目的 控制载人飞船内外的热交换过程，使飞控制载人飞船内外的热交换过程，使飞船内的温度处于规定的范围内，保证仪器设船内的温度处于规定的范围内，保证仪器设备正常工作、宇航员的生活和工作环境安全备正常工作、宇航员的生活和工作环境安全舒适。所以热控制主要是舒适。所以热控制主要是温度控制温度控制。 载人飞船飞行有四个阶段：载人飞船飞行有四个阶段：
9、地面段地面段、上上升段升段、轨道段轨道段和和返回段返回段。在飞行过程中要经。在飞行过程中要经历极大的热环境变化，温度可从摄氏零下历极大的热环境变化，温度可从摄氏零下200多度到几千度，飞行环境极为恶劣。多度到几千度，飞行环境极为恶劣。13 2. . 载人载人飞船热控制技术飞船热控制技术 （1） 被动被动热控制技术热控制技术 选选用用热热物物理理性性能能合合适适的的材材料料，进进行行合合理理的的总总体体结结构构设设计计来来控控制制热热量量传传递递过过程程。在在被被动动控控制制技技术术中中常常采采用用热热控控涂涂层层、多多层层隔隔热热系系统统、热管热管、相变材料相变材料、导热填料导热填料等措施。等
10、措施。 （2） 主动主动热控制技术热控制技术 通通过过某某种种自自动动调调节节系系统统使使载载人人飞飞船船在在内内外外热热环环境境变变化化时时保保证证宇宇航航员员和和仪仪器器设设备备处处于于安全的温度环境中。安全的温度环境中。14 “联盟号联盟号”飞船主动热控制系统示意图飞船主动热控制系统示意图15 “礼礼炮炮号号”载载人人密密封封舱舱主主动动热热控控制制系系统统示示意意图图16二、二、载载人人飞飞船座船座舱舱内空气内空气对对流流换热换热的的地地 面模面模拟拟 检检验验热热控控制制设设计计正正确确性性的的可可靠靠方方法法进进行行地地面面飞飞船船整整体体热热平平衡衡试试验验，预预测测太太空空飞飞
11、行行时时载载人人飞飞船船座座舱舱内内的的热热状状态态，主主要要是是温温度度分布分布。 载载人人飞飞船船座座舱舱内内的的传传热热方方式式：导导热热、辐辐射射换换热热、舱舱内内空空气气及及热热控控循循环环回回路路中中工工质质（载热体）与壁面间的对流换热。（载热体）与壁面间的对流换热。 地地面面试试验验和和太太空空飞飞行行时时载载人人飞飞船船座座舱舱内内传传热热过过程程的的主主要要区区别别在在空空气气与与壁壁面面间间的的对对流流换换热。热。17 地地面面试试验验：重重力力场场，强强迫迫对对流流与与自自然然对对流叠加的混合对流换热；流叠加的混合对流换热； 要要想想在在地地面面航航天天器器整整体体热热平
12、平衡衡试试验验时时准准确确预预测测太太空空飞飞行行时时座座舱舱内内的的热热状状态态，关关键键是是如如何何克克服服重重力力场场的的影影响响，保保证证在在地地面面实实验验时时座座舱舱内内空空气气的的对对流流换换热热与与太太空空飞飞行行时时相相似似或或完全相同。完全相同。 太太空空飞飞行行：微微重重力力场场（g=10-3g)，纯纯强强迫迫对流换热对流换热.18 1. 1. 座舱内空气对流换热的相似分析座舱内空气对流换热的相似分析 假假定定座座舱舱内内空空气气为为常常物物性性、不不可可压压缩缩的的牛顿流体，无内热源，对流换热的数学模型牛顿流体，无内热源，对流换热的数学模型19 根据根据相似理论相似理论
13、，两个对流换热相似的条件：，两个对流换热相似的条件： （1）同类现象；）同类现象； （2）单值性条件相似；）单值性条件相似； （3）同名已定特征数相等。）同名已定特征数相等。 由由于于利利用用飞飞船船座座舱舱原原型型进进行行地地面面试试验验，舱舱内内同同样样是是空空气气，在在温温度度范范围围相相同同，压压力力变变化化不不太太大大的的情情况况下下，可可认认为为、及及Pr相相同同，可可得得由于由于202. 2. 座舱内空气对流换热的近似模座舱内空气对流换热的近似模拟试验方法拟试验方法 根据根据动量微分方程动量微分方程如如果果 很很小小在宇航员活动区，在宇航员活动区， 根据根据 结结论论：地地面面试
14、试验验舱舱内内流流速速应应大大于于1.83m/s，压力应小于压力应小于0.273大气压。大气压。213. 3. 近似地面模拟试验方法的偏差近似地面模拟试验方法的偏差 太太空空飞飞行行时时仪仪器器区区的的风风速速只只有有0.10.3m/s，T与与L和宇航员区不同，不能满足和宇航员区不同，不能满足 例如：例如： 因因此此，一一些些流流速速较较低低、温温差差较较大大的的区区域域，自自然然对对流流的的影影响响不不能能忽忽略略，地地面面试试验验结结果果会会和和太太空空飞飞行行时时有有很很大大偏偏差差，必必须须对对近近似似地地面面模模拟拟试试验验方方法法的的偏偏差差有有准准确确的的预预测测。预预测测方方法法来来源源于于对对空气混合对流换热规律的正确认识。空气混合对流换热规律的正确认识。224. 4. 近似地面试验偏差的预测方法近似地面试验偏差的预测方法 两种预测方法：两种预测方法： （1）利用已有的对流换热经验公式；）利用已有的对流换热经验公式； （2）数值模拟。）数值模拟。23
