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(shù) 輻射換熱計(jì)算方法概述、漫灰表面間的輻射換熱計(jì)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(diǎn)、傳遞方程,2020年7月8日,2,第一部分 熱輻射理論基礎(chǔ),2020年7月8日,3,1-1熱輻射物理基礎(chǔ)及輻射能量的描述,1.熱輻射物理基礎(chǔ),2020年7月8日,4,1-1熱輻射物理基礎(chǔ)及輻射能量的描述,輻射本質(zhì) 17世紀(jì)末期就有了牛頓的微粒說(shuō)及惠更斯的波動(dòng)說(shuō)。 微粒說(shuō)認(rèn)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(dòng)說(shuō)認(rèn)為：光是在彈性媒質(zhì)中傳遞的一種連續(xù)的彈性機(jī)械

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

3、有的熱輻射現(xiàn)象，其有關(guān)理論還在繼續(xù)發(fā)展。 目前，在解釋熱輻射現(xiàn)象及工程應(yīng)用中，有時(shí)用電磁理論，有時(shí)用量子理論，所以上述兩個(gè)輻射定義目前都有實(shí)用意義。 一般情況下，當(dāng)牽涉到輻射能的發(fā)射、吸收時(shí)要用量子理論來(lái)解釋 對(duì)輻射能的傳遞過(guò)程一般用電磁理論來(lái)解釋。,2020年7月8日,7,1-1熱輻射物理基礎(chǔ)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(chǔ)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(zhì)-普朗克定律 真空中的普朗克定律： 介質(zhì)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(zāi)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(guān)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(shí)際物體的熱輻射特性十分復(fù)雜，工程中經(jīng)常應(yīng)用發(fā)射率、吸收比、反射比等參數(shù)來(lái)描述其與黑體的熱輻射性能的差異。 (1)發(fā)射率(全波長(zhǎng))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(wèn)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(guān)，而且與投射和反射方向有關(guān)。 需要描述反射能量的定向分布或按波長(zhǎng)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(zhì)。 單色半球定向反射比：表示半球空間投射來(lái)的輻射能向某一方向反射的性質(zhì)。,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(duì)輻射的吸收是在表面很薄的一層中進(jìn)行的，射線不能進(jìn)入金屬的內(nèi)部。 (2)非金屬表面的輻射特性 絕大多數(shù)非金屬或介電體對(duì)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(zhì)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(gè)波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)波范圍具有較低的透射率選擇性透過(guò)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(lái)描述實(shí)際物體對(duì)輻射能的吸收、發(fā)射本領(lǐng)的極限，作為參考的基

7、準(zhǔn)。只有少量物質(zhì)的表面可接近黑體，如炭黑、碳化磚等。 2、灰體工程應(yīng)用中采用這一假設(shè)獲得很好的結(jié)果，其誤差在許可范圍內(nèi)，尤其是在紅外輻射范圍。 3、漫射體一般較為粗糙的實(shí)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(shù),角系數(shù)是純幾何參數(shù)，也稱為形狀因子。 在輻射換熱角系數(shù)計(jì)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(zhì)、均勻的投射輻射，而且表面是漫輻射表面。 1、角系數(shù)的基本性質(zhì) 相對(duì)性，完整性，分解性（等價(jià)性）,2020年7月8日,18,1-5角系數(shù),2、角系數(shù)的計(jì)算方法 A直接積分法，即根據(jù)角系數(shù)的一般計(jì)算式直接進(jìn)行積分運(yùn)算。 B數(shù)值計(jì)算方法，即根據(jù)定義式

8、作數(shù)值積分。 C圖解方法，借助于已有的各種角系數(shù)圖線。 D代數(shù)方法，據(jù)角系數(shù)的基本性質(zhì)，并借助圖線，通過(guò)簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算確定所求的角系數(shù)。 E微分法。 F幾何投影方法(單位球法) 。此方法主要用在測(cè)量角系數(shù)的儀器上。,2020年7月8日,19,第二部分 被透明介質(zhì)隔開(kāi)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(jì)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(wèn)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(duì)于前者，單純輻射換熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型一般是線性代數(shù)方程(組)。 對(duì)于后者，其

9、數(shù)學(xué)模型是積分方程(組)。,2020年7月8日,21,2-1輻射換熱計(jì)算方法概述,2.計(jì)算方法解決的主要問(wèn)題 建立物理模型，把各種物理、幾何量聯(lián)系起來(lái)。 把物理模型用完整的數(shù)學(xué)式表示出來(lái)，其中包括控制方程組及單值性條件。 選擇求解方程組的數(shù)學(xué)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(jì)算方法，它出現(xiàn)的形式不同，或代數(shù)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(jì)算方法概述,3.影響計(jì)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(jì)算任務(wù) 可分為兩類：正問(wèn)題、反問(wèn)題。,2020年7月8日,23,2-1輻射換熱計(jì)算方法概述,3.影響計(jì)算方法的因素 正問(wèn)題 在已知控制方程，幾何及物理?xiàng)l件的情況下，有三種任務(wù)： 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(jì)算方法概述,3.影響計(jì)算方法的因素 反問(wèn)題 已知正問(wèn)題的結(jié)果，如表面溫度分布或換熱量分布，及幾何條件、物理?xiàng)l件中任一種，通過(guò)控制方程求余下的一種。 用實(shí)驗(yàn)方法求輻射物性已知表面溫度或熱量分布通過(guò)控制方程，幾何條件求物性。 通過(guò)遙感測(cè)量到

11、的目標(biāo)紅外信息，判斷目標(biāo)的幾何形狀，就是通過(guò)測(cè)量到的輻射強(qiáng)度，已知的目標(biāo)物性，利用控制方程求目標(biāo)的幾何形狀。,2020年7月8日,25,2-1輻射換熱計(jì)算方法概述,3.影響計(jì)算方法的因素 (3)與建立物理模型的原理有關(guān)。 如：凈熱量法的物理模型中是考慮每個(gè)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(guò)程。這兩種方法的物理模型不同，所以兩種計(jì)算方法不同。 (4)與采用的數(shù)學(xué)方法有關(guān)。 如：近似計(jì)算中可用不同的數(shù)學(xué)近似方法：指數(shù)函數(shù)近似法、逐次選代法、變分法等。數(shù)值計(jì)算中可用有限無(wú)法、概率方法等。,2020年7月8日,26,2-1輻射換熱計(jì)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(nèi)部或外部能量平衡。得到各表面的凈熱量、角系數(shù)、溫度和輻射物性間的相互關(guān)系。 網(wǎng)絡(luò)法利用熱電類比。 杰勃哈特法對(duì)凈熱量法進(jìn)行了改進(jìn)，適用于變工況的輻射換熱計(jì)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(jì)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(zhǎng)無(wú)關(guān)； (3)各表面的入射輻射及反射輻射是均勻的，也就是說(shuō)每個(gè)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(zhì)完全透明

13、，不參與輻射換熱過(guò)程。,2020年7月8日,28,2-2漫灰有限表面間的輻射換熱計(jì)算,2.凈熱量法 情況A.由n個(gè)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(jì)算,2.凈熱量法情況A q-J-T關(guān)系式 q-J關(guān)系式 q-T關(guān)系式 J-T關(guān)系式 q-J關(guān)系式,2020年7月8日,30,2-2漫灰有限表面間的輻射換熱計(jì)算,2.凈熱量法 情況B.對(duì)于由N個(gè)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(wèn)題的求解步驟有兩種。 第一種是利用q-T關(guān)系式對(duì)N個(gè)表面列出N個(gè)方程，一步解出未知的T及q。 第二種是先解出每個(gè)表面的有效輻射J，然后再利用q-J-T關(guān)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(jì)算,3.網(wǎng)絡(luò)法 首先，所有表面必須形成封閉空腔； 其次，繪出輻射網(wǎng)絡(luò)熱阻圖，即每個(gè)表面是一個(gè)結(jié)點(diǎn)，其熱勢(shì)為Eb(對(duì)于漫-灰表面為有效輻射J)。每?jī)蓚€(gè)表面間連接一個(gè)相應(yīng)的空間熱阻。每個(gè)表面與接地間連接一個(gè)表面熱阻。若某角系數(shù)為0，即空間熱阻，則相應(yīng)兩個(gè)表面間可以斷開(kāi)，不連接空間熱阻。若某表面絕熱，則其為浮動(dòng)熱勢(shì)，不與接地相連； 然后，根據(jù)輻射網(wǎng)絡(luò)熱阻圖建立節(jié)點(diǎn)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(jì)算,4.舉例 一空心圓錐臺(tái)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(cè)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(xiàng)面的凈熱流。 解：確定角系數(shù),2020年7月8日,33,2-2漫灰有限表面間的輻射換熱計(jì)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(jì)算,實(shí)際上，每一個(gè)表面的溫度或熱流密度都可能是不均勻的。 把每個(gè)表面細(xì)分，直到每個(gè)小表面的面積無(wú)限小，則就可以考慮表面溫度或熱流密度的變化。 如：一個(gè)由n個(gè)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(jì)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(duì)于輻射積分方程的求解，多年來(lái)研究考提出了許多解法，包括逐次迭代法、變分法、泰勒級(jí)數(shù)、數(shù)值積分法及高斯求積公式等。,對(duì)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(zhǎng)有關(guān)。 (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(guān)。 (4)表面是非漫射體，表面發(fā)射率與方向有關(guān)。 (5)表面的輻射特性與入射光的

17、偏振性有關(guān)。,2020年7月8日,37,第三部分 吸收介質(zhì)熱輻射基本理論與計(jì)算,2020年7月8日,38,吸收介質(zhì)熱輻射 基本理論與計(jì)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(diǎn) 傳遞方程 介質(zhì)熱輻射的計(jì)算 一維灰介質(zhì)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(diǎn) 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(zhǎng)范圍內(nèi)，不是連續(xù)的光譜。在這些波段外，介質(zhì)對(duì)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(diǎn) 氣體的輻射和吸收是在其整個(gè)容積內(nèi)進(jìn)行。 氣體介質(zhì)輻射需要考慮散射的影響。 散射是指熱射線通過(guò)介質(zhì)時(shí)方向改變的現(xiàn)象。在氣體介質(zhì)中含有各類粒子，引起介質(zhì)場(chǎng)的不均勻，導(dǎo)致產(chǎn)生散射。 綜上所述：氣體的輻射與吸收除與氣體的種類有關(guān)外，還與氣體的狀態(tài)、密度以及射線行程長(zhǎng)度、波長(zhǎng)等有關(guān)。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(wú)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(shuō)明射線穿過(guò)吸收、散射性介質(zhì)的，其單色輻射強(qiáng)度沿傳播行程按

19、指數(shù)規(guī)律衰減的規(guī)律。k稱為單色衰減系數(shù)。,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(rèn)為輻射能在介質(zhì)中隨行程長(zhǎng)度L呈指數(shù)衰減，后來(lái)發(fā)現(xiàn)，很多氣體、介質(zhì)并不是這樣，而是與L呈復(fù)雜的關(guān)系。 工程中或習(xí)慣上人都仍以布格爾定律的形式來(lái)表示輻射能衰減的規(guī)律。,ka單色吸收系數(shù) ks單色散射系數(shù),單色衰減系數(shù),2020年7月8日,43,3-1氣體輻射的基本概念和規(guī)律,光學(xué)厚度 光學(xué)厚度是在給定射線行程下，介質(zhì)對(duì)某一單色熱輻射的衰減能力的度量。 介質(zhì)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(xué)厚度。 “光學(xué)厚”介質(zhì)及“光學(xué)薄”介質(zhì),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(zhì)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(zhì)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(zhǎng)下的單色吸收率之和要小。 因?yàn)閱我粴怏w時(shí)，它吸收的輻射是沒(méi)有被其他氣體吸收過(guò)的，而混合氣體時(shí)每一種氣體吸收的輻射都被其他氣體吸收過(guò)了。 氣體發(fā)射率確定可以用有關(guān)圖線，也可以用下列代數(shù)計(jì)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(diǎn),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(qiáng)得多，這兩點(diǎn)形成了氣體與壁面輻射換熱的一系列特點(diǎn)。 通?？臻g輻射場(chǎng)是三維或二維的。 即使是一維的輻射場(chǎng)，由于輻射的方向化在一個(gè)空間點(diǎn)上，向前與向后的投射輻射能量也不同。 例如在太陽(yáng)照射的一個(gè)空間點(diǎn)上，朝著太陽(yáng)方向的投射輻射與背著太陽(yáng)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(dòng)量方程和能量方程也適用于有輻射的介質(zhì)中，只是應(yīng)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(xiàng)分別為：射線在介質(zhì)中在L方向的自身輻射增強(qiáng)、單色輻射強(qiáng)度的吸收衰減