第23-24次課KT-輻射換熱.ppt

1、第4篇 輻射換熱,輻射換熱,熱輻射基本定律、非黑體熱輻射、熱輻射模型、角系數 輻射換熱計算方法概述、漫灰表面間的輻射換熱計算、非漫、非灰表面的輻射換熱 氣體輻射的基本概念和規(guī)律、氣體與固體壁面的輻射換熱的特點、傳遞方程,2020年7月8日,2,第一部分 熱輻射理論基礎,2020年7月8日,3,1-1熱輻射物理基礎及輻射能量的描述,1.熱輻射物理基礎,2020年7月8日,4,1-1熱輻射物理基礎及輻射能量的描述,輻射本質 17世紀末期就有了牛頓的微粒說及惠更斯的波動說。 微粒說認為：光是一種完全彈性的球形微粒的微粒流，粒子間不連續(xù)，直線傳播。 波動說認為：光是在彈性媒質中傳遞的一種連續(xù)的彈性機械

2、波。 18世紀微粒說占統(tǒng)治地位。 19世紀發(fā)現了光的干涉、衍射和偏振等現象，這些現象是波動的特征，從而波動說占了上風。,2020年7月8日,5,1-1熱輻射物理基礎及輻射能量的描述,輻射本質 1865年麥克斯韋提出了電磁理論，于是產生了輻射的波動說定義物體以電磁波方式向外傳遞能量的過程稱為輻射。 1900年普朗克提出了量子假設，1905年愛因斯坦提出量子理論，這就產生了輻射粒子說的新定義輻射是物體向外發(fā)射光子的能量傳遞過程。 愛因斯坦進一步指出，光子具有波粒二象性既有粒子性，又有波動性。,2020年7月8日,6,1-1熱輻射物理基礎及輻射能量的描述,輻射本質 目前尚不能用一種統(tǒng)一的理論來描述所

3、有的熱輻射現象，其有關理論還在繼續(xù)發(fā)展。 目前，在解釋熱輻射現象及工程應用中，有時用電磁理論，有時用量子理論，所以上述兩個輻射定義目前都有實用意義。 一般情況下，當牽涉到輻射能的發(fā)射、吸收時要用量子理論來解釋 對輻射能的傳遞過程一般用電磁理論來解釋。,2020年7月8日,7,1-1熱輻射物理基礎及輻射能量的描述,2.輻射能量的描述,2020年7月8日,8,1-1熱輻射物理基礎及輻射能量的描述,2020年7月8日,9,1-2熱輻射基本定律,1.黑體輻射的光譜性質-普朗克定律 真空中的普朗克定律： 介質中的普朗克定律： 1891年維恩公式、1900年瑞利和金斯公式,“紫外線的災難”,2020年7月

4、8日,10,1-2熱輻射基本定律,2.維恩位移定律 3.黑體輻射的輻射力-斯蒂芬-玻爾茲曼定律 b=5.6710-8 W/(m2K4) 4.黑體（漫射表面）定向輻射力按空間方向的分布-蘭貝特余弦定律 5.物體輻射與吸收間的關系-基爾霍夫定律,2020年7月8日,11,1-3非黑體熱輻射,1.輻射及吸收、反射特性的描述 實際物體的熱輻射特性十分復雜，工程中經常應用發(fā)射率、吸收比、反射比等參數來描述其與黑體的熱輻射性能的差異。 (1)發(fā)射率(全波長)發(fā)射率；定向發(fā)射率；單色發(fā)射率；單色定向發(fā)射率。 (2)吸收比：不僅取決于吸收體本身，也取決于輻射源，或輻射源決定的投射輻射的光譜分布與方問特性等。,

5、2020年7月8日,12,1-3非黑體熱輻射,(3)反射比被表面反射的能量與投射到表面的能量之比定義為表面的反射比。 反射比不僅與光譜有關，而且與投射和反射方向有關。 需要描述反射能量的定向分布或按波長的分布。 雙向單色反射比 單色定向半球反射比：描述某一方向投射的單色輻射能量，向半球空間反射的性質。 單色半球定向反射比：表示半球空間投射來的輻射能向某一方向反射的性質。,2020年7月8日,13,2.固、液表面的熱輻射特性 (1)金屬表面的輻射特性 金屬表面對輻射的吸收是在表面很薄的一層中進行的，射線不能進入金屬的內部。 (2)非金屬表面的輻射特性 絕大多數非金屬或介電體對熱射線的吸收也是發(fā)生

6、在很薄的表面層中，只有玻璃、石英和透明塑料等物質除外。,2020年7月8日,14,1-3非黑體熱輻射,金屬表面,非金屬表面,2020年7月8日,15,1-3非黑體熱輻射,(3)選擇性表面 A希望材料在整個波長范圍有較高（或低）的吸收比和發(fā)射率。 B在短波區(qū)域具有較高的吸收比，而長波范圍具有較低的吸收比選擇性吸收表面。 C在短波區(qū)域有較低的吸收比和較高的反射比，長波區(qū)域具有較大的發(fā)射率選擇性吸收表面。 D在短波區(qū)域具有較高的透射率，而長波范圍具有較低的透射率選擇性透過表面。,2020年7月8日,16,1-4熱輻射模型,1.黑體黑體的概念用來描述實際物體對輻射能的吸收、發(fā)射本領的極限，作為參考的基

7、準。只有少量物質的表面可接近黑體，如炭黑、碳化磚等。 2、灰體工程應用中采用這一假設獲得很好的結果，其誤差在許可范圍內，尤其是在紅外輻射范圍。 3、漫射體一般較為粗糙的實際物體表面可作為漫射表面處理。,2020年7月8日,17,1-5角系數,角系數是純幾何參數，也稱為形狀因子。 在輻射換熱角系數計算中要求表面特性是均勻一致的，即具有均勻的溫度、輻射性質、均勻的投射輻射，而且表面是漫輻射表面。 1、角系數的基本性質 相對性，完整性，分解性（等價性）,2020年7月8日,18,1-5角系數,2、角系數的計算方法 A直接積分法，即根據角系數的一般計算式直接進行積分運算。 B數值計算方法，即根據定義式

8、作數值積分。 C圖解方法，借助于已有的各種角系數圖線。 D代數方法，據角系數的基本性質，并借助圖線，通過簡單的代數運算確定所求的角系數。 E微分法。 F幾何投影方法(單位球法) 。此方法主要用在測量角系數的儀器上。,2020年7月8日,19,第二部分 被透明介質隔開的物體表 面間的輻射換熱,2020年7月8日,20,2-1輻射換熱計算方法概述,1.分類 表面間的輻射交換包括黑表面、漫射灰表面、漫射非灰表面和具有鏡反射分量的灰表面間的輻射換熱問題。 表面又可以分為均勻溫度、均勻熱通量表面和非均勻溫度、非均勻熱通量表面。 對于前者，單純輻射換熱問題的數學模型一般是線性代數方程(組)。 對于后者，其

9、數學模型是積分方程(組)。,2020年7月8日,21,2-1輻射換熱計算方法概述,2.計算方法解決的主要問題 建立物理模型，把各種物理、幾何量聯系起來。 把物理模型用完整的數學式表示出來，其中包括控制方程組及單值性條件。 選擇求解方程組的數學方法。 其中最核心的原理是能置守平衡定律，不同物理模型、不同計算方法，它出現的形式不同，或代數方程、或微分方程、或積分方程。,2020年7月8日,22,2-1輻射換熱計算方法概述,3.影響計算方法的因素 (1)輻射換熱系統(tǒng)的輻射物性、幾何特性和表面溫度分布。 這些因素中物性的影響最大，表面是漫反射還是鏡反射?還是部分漫反射部分鏡反射?是灰體還是選擇性物體？

10、 (2)計算任務 可分為兩類：正問題、反問題。,2020年7月8日,23,2-1輻射換熱計算方法概述,3.影響計算方法的因素 正問題 在已知控制方程，幾何及物理條件的情況下，有三種任務： 在邊界條件中給出表面溫度分布，求換熱量分布； 給出表面換熱量分布，求溫度分布； 給出部分表面換熱量、溫度，求其他表面的換熱量、溫度。,2020年7月8日,24,2-1輻射換熱計算方法概述,3.影響計算方法的因素 反問題 已知正問題的結果，如表面溫度分布或換熱量分布，及幾何條件、物理條件中任一種，通過控制方程求余下的一種。 用實驗方法求輻射物性已知表面溫度或熱量分布通過控制方程，幾何條件求物性。 通過遙感測量到

11、的目標紅外信息，判斷目標的幾何形狀，就是通過測量到的輻射強度，已知的目標物性，利用控制方程求目標的幾何形狀。,2020年7月8日,25,2-1輻射換熱計算方法概述,3.影響計算方法的因素 (3)與建立物理模型的原理有關。 如：凈熱量法的物理模型中是考慮每個表面總的射入和射出的能量，采用投射輻射及有效輻射的概念。射線蹤跡法是跟蹤能量從射出到被表面吸收的全過程。這兩種方法的物理模型不同，所以兩種計算方法不同。 (4)與采用的數學方法有關。 如：近似計算中可用不同的數學近似方法：指數函數近似法、逐次選代法、變分法等。數值計算中可用有限無法、概率方法等。,2020年7月8日,26,2-1輻射換熱計算方

12、法概述,4.研究方法 凈熱量法利用表面的投射輻射、有效輻射，建立表面的內部或外部能量平衡。得到各表面的凈熱量、角系數、溫度和輻射物性間的相互關系。 網絡法利用熱電類比。 杰勃哈特法對凈熱量法進行了改進，適用于變工況的輻射換熱計算。 射線蹤跡法追蹤表面發(fā)射的能束、分析觀察能束的行為，直到其被吸收。,2020年7月8日,27,2-2漫灰有限表面間的輻射換熱計算,1.假定 (1)各表面的溫度是均勻的。 (2)各表面部是不透明的漫發(fā)射、漫反射的灰表面，即各表面的與方向及波長無關； (3)各表面的入射輻射及反射輻射是均勻的，也就是說每個表面的有效輻射和凈輻射熱流密度是均勻的； (4)表面間的介質完全透明

13、，不參與輻射換熱過程。,2020年7月8日,28,2-2漫灰有限表面間的輻射換熱計算,2.凈熱量法 情況A.由n個表面組成的封閉空腔，如果表面k=1，2，n的溫度T已知，則先利用下列線性方程組確定有效輻射J和有效入射G，然后確定某表面的凈輻射換熱量Qk。,2020年7月8日,29,2-2漫灰有限表面間的輻射換熱計算,2.凈熱量法情況A q-J-T關系式 q-J關系式 q-T關系式 J-T關系式 q-J關系式,2020年7月8日,30,2-2漫灰有限表面間的輻射換熱計算,2.凈熱量法 情況B.對于由N個表面組成的封閉空腔，如果表面1、2，、m的溫度T已知，表面m+1、m+2，N的熱流密度q已知，

14、則問題的求解步驟有兩種。 第一種是利用q-T關系式對N個表面列出N個方程，一步解出未知的T及q。 第二種是先解出每個表面的有效輻射J，然后再利用q-J-T關系式求出未知的T和q。,2020年7月8日,31,2-2漫灰有限表面間的輻射換熱計算,3.網絡法 首先，所有表面必須形成封閉空腔； 其次，繪出輻射網絡熱阻圖，即每個表面是一個結點，其熱勢為Eb(對于漫-灰表面為有效輻射J)。每兩個表面間連接一個相應的空間熱阻。每個表面與接地間連接一個表面熱阻。若某角系數為0，即空間熱阻，則相應兩個表面間可以斷開，不連接空間熱阻。若某表面絕熱，則其為浮動熱勢，不與接地相連； 然后，根據輻射網絡熱阻圖建立節(jié)點方

15、程組，并求解有效輻射。,2020年7月8日,32,2-2漫灰有限表面間的輻射換熱計算,4.舉例 一空心圓錐臺如圖所示，頂面3的溫渡T31000K；底面1被加熱，加熱功率為1000W/m2；側面2絕熱。表面1及2為漫灰表面，3為黑表面。求底面的溫度及項面的凈熱流。 解：確定角系數,2020年7月8日,33,2-2漫灰有限表面間的輻射換熱計算,4.舉例,2020年7月8日,34,2-3漫灰微元表面間的輻射換熱計算,實際上，每一個表面的溫度或熱流密度都可能是不均勻的。 把每個表面細分，直到每個小表面的面積無限小，則就可以考慮表面溫度或熱流密度的變化。 如：一個由n個表面組成的封閉系統(tǒng)，表面為漫灰體，

16、但溫度和有效輻射在表面上分布不均勻。,2020年7月8日,35,2-3漫灰微元表面間的輻射換熱計算,采用線性方程組的求解方法一樣可以求解上式。 但由于采用了微元表面，增加了積分方程。對于輻射積分方程的求解，多年來研究考提出了許多解法，包括逐次迭代法、變分法、泰勒級數、數值積分法及高斯求積公式等。,對于微元表面dAk：,2020年7月8日,36,2-4非漫、灰表面的輻射換熱,非漫、灰表面有： (1)表面是非灰體，表面物性與波長有關。 (2)表面為鏡體。 (3)表面是非漫反射體，表面的吸收率和反射率與投射輻射的方向有關。 (4)表面是非漫射體，表面發(fā)射率與方向有關。 (5)表面的輻射特性與入射光的

17、偏振性有關。,2020年7月8日,37,第三部分 吸收介質熱輻射基本理論與計算,2020年7月8日,38,吸收介質熱輻射 基本理論與計算 氣體輻射的基本概念和規(guī)律 氣體與固體壁面的輻射換熱的特點 傳遞方程 介質熱輻射的計算 一維灰介質的理論解（精確解）,2020年7月8日,39,3-1氣體輻射的基本概念和規(guī)律,1.氣體輻射的特點 各種氣體輻射和吸收特性差異較大，具有輻射和吸收能力的氣體，其輻射和吸收特性具有明顯的選擇性。,具有輻射和吸收能力的氣體，其輻射與吸收一般只發(fā)生在某一或某些波長范圍內，不是連續(xù)的光譜。在這些波段外，介質對于輻射射線是透明體，不參加輻射和吸收。顯然，氣體不能作灰體處理。,

18、2020年7月8日,40,3-1氣體輻射的基本概念和規(guī)律,1.氣體輻射的特點 氣體的輻射和吸收是在其整個容積內進行。 氣體介質輻射需要考慮散射的影響。 散射是指熱射線通過介質時方向改變的現象。在氣體介質中含有各類粒子，引起介質場的不均勻，導致產生散射。 綜上所述：氣體的輻射與吸收除與氣體的種類有關外，還與氣體的狀態(tài)、密度以及射線行程長度、波長等有關。由于氣體光譜不連續(xù)，所以不論氣體層多厚總有一部分能量能穿透氣體，即使厚度為無限大，其吸收率也不等于1。,2020年7月8日,41,3-1氣體輻射的基本概念和規(guī)律,2.布格爾定律 布格爾定律,說明射線穿過吸收、散射性介質的，其單色輻射強度沿傳播行程按

19、指數規(guī)律衰減的規(guī)律。k稱為單色衰減系數。,布格爾定律,2020年7月8日,42,3-1氣體輻射的基本概念和規(guī)律,布格爾定律的初意是認為輻射能在介質中隨行程長度L呈指數衰減，后來發(fā)現，很多氣體、介質并不是這樣，而是與L呈復雜的關系。 工程中或習慣上人都仍以布格爾定律的形式來表示輻射能衰減的規(guī)律。,ka單色吸收系數 ks單色散射系數,單色衰減系數,2020年7月8日,43,3-1氣體輻射的基本概念和規(guī)律,光學厚度 光學厚度是在給定射線行程下，介質對某一單色熱輻射的衰減能力的度量。 介質中射線的衰減并非直接取決于幾何厚度，而是直接取決于光學厚度。 “光學厚”介質及“光學薄”介質,2020年7月8日,

20、44,3-1氣體輻射的基本概念和規(guī)律,3.介質的發(fā)射率、吸收比和反射比 單色吸收比： 總吸收比： 單色發(fā)射率： 總發(fā)射率： 單色透射比： 總透射比：,2020年7月8日,45,3-1氣體輻射的基本概念和規(guī)律,3.介質的發(fā)射率、吸收比和反射比 混合氣體的單色吸收率總比組成它的各氣體在同波長下的單色吸收率之和要小。 因為單一氣體時，它吸收的輻射是沒有被其他氣體吸收過的，而混合氣體時每一種氣體吸收的輻射都被其他氣體吸收過了。 氣體發(fā)射率確定可以用有關圖線，也可以用下列代數計算式。,2020年7月8日,46,3-2氣體與固體壁面的輻射換熱的特點,氣體不是表面輻射而是容積輻射，且氣體輻射的選擇性比固體強得多，這兩點形成了氣體與壁面輻射換熱的一系列特點。 通?？臻g輻射場是三維或二維的。 即使是一維的輻射場，由于輻射的方向化在一個空間點上，向前與向后的投射輻射能量也不同。 例如在太陽照射的一個空間點上，朝著太陽方向的投射輻射與背著太陽方向的就不一樣。,2020年7月8日,47,3-3傳遞方程,一般流體的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程也適用于有輻射的介質中，只是應注意考慮輻射熱流。 1.熱流密度方程 2.輻射傳遞方程,該式右邊四項分別為：射線在介質中在L方向的自身輻射增強、單色輻射強度的吸收衰減