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1、傳熱學(xué)C Heat Transfer,第八章 輻射傳熱,傳熱學(xué)C Heat Transfer,8-1 熱輻射的基本概念,一、輻射及熱輻射,輻射是物體通過(guò)電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。,輻射有很多種形式，它們的區(qū)別是導(dǎo)致發(fā)射電磁波的激勵(lì)方式不同，而外在表現(xiàn)是輻射的波長(zhǎng)不一樣，以及吸收該輻射能量后引起的效應(yīng)不同。,熱輻射是物體由于熱的原因所產(chǎn)生的輻射。它的作用：物體吸收輻射能后將其轉(zhuǎn)變成自身的內(nèi)能。波長(zhǎng)范圍：0.1100m,傳熱學(xué)C Heat Transfer,傳熱學(xué)C Heat Transfer,可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍：0.380.76m,紫 藍(lán) 青 綠 黃 橙 赤,傳熱學(xué)C Heat Transfer,二、

2、輻射與導(dǎo)熱、對(duì)流的區(qū)別,傳遞方式不同 導(dǎo)熱和對(duì)流需要媒介，輻射換熱不需要中間介質(zhì)。,2. 輻射換熱過(guò)程存在能量形式的轉(zhuǎn)換,熱能電磁能,電磁能熱能,3. 輻射表面具有方向性和選擇性,輻射換熱屬于表面的物理過(guò)程，在換熱表面的不同方向強(qiáng)度不一定相同，且與波長(zhǎng)分布有關(guān)。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,三、吸收、反射和透射,周?chē)矬w在單位時(shí)間內(nèi)投射到物體單位表面積上的輻射能。用G表示，單位W/m2 。,1、投射輻射,被物體吸收、反射和透射的部分所占總投射輻射的份額分別稱(chēng)為吸收比、反射比 和透射比 。,2、吸收比、反射比和透射比,傳熱學(xué)C Heat Transfer,視物體表面狀況（平整程度）和投

3、入輻射的波長(zhǎng)，表面的反射又分為鏡反射和漫反射。,3、鏡反射和漫反射,漫反射是把來(lái)自任意方向、任意波長(zhǎng)的投入輻射以均勻的強(qiáng)度（不是“能量”）反射到半球空間所有方向上去。,(a)鏡反射,(b)漫反射,注：除了經(jīng)特殊處理的金屬表面，大 部分工程材料均可視為漫射表面。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,吸收比 = 1的物體稱(chēng)為黑體。,4、黑體、白體和透明體,黑體、白體和透明體都是理想物體，自然界中并不存在，主要用它們作為研究輻射規(guī)律的參照物。特別是黑體的概念，是整個(gè)熱輻射研究和工程應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。,反射比 = 1的物體稱(chēng)為白體（或鏡體）。,透射比 = 1的物體稱(chēng)之為透明體。,傳熱學(xué)C Heat T

4、ransfer,四、輻射力和有效輻射,1、輻射力,在單位時(shí)間內(nèi)物體單位面積上向半球空間所有方向發(fā)射的全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能稱(chēng)為輻射力，用符號(hào)E表示，單位為W/m2。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,2、有效輻射,單位時(shí)間離開(kāi)單位面積的總輻射能為有效輻射，記為J 。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,五、定向輻射度,(1) 立體角,是指球面上的面積與球心所對(duì)應(yīng)的空間角度。立體角的單位叫球面度，用Sr表示。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,(2) 可見(jiàn)輻射面積,是指從空間某方向所看到的表面有效面積。如右圖中的可見(jiàn)輻射面積為：,傳熱學(xué)C Heat Transfer,(3) 定向輻射度

5、,單位時(shí)間內(nèi),單位可見(jiàn)輻射面積在空間指定方向的單位立體角內(nèi)所發(fā)出的總輻射能量。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,8-2 黑體輻射的基本定律,一、黑體與黑體模型,黑體是吸收比等于1的理想物體。它具有同溫度下輻射能力最大的性質(zhì)。,盡管在自然界并不存在黑體，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑體的模型。如：空腔上的小孔。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,二、普朗克定律,普朗克定律:確定了黑體輻射的光譜分布規(guī)律。,C1普朗克第一常數(shù)，C1= 3.74210-16 Wm2 ; C2普朗克第二常數(shù)， C2 = 1.43910-2 mK。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,二、普朗克定律,光

6、譜輻射力：,傳熱學(xué)C Heat Transfer,根據(jù)黑體輻射曲線可以得以下規(guī)律：,(1) 溫度愈高，同一波長(zhǎng)下的光譜輻射力愈大；,(2) 在一定的溫度下，黑體的光譜輻射力隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，并在某一波長(zhǎng)下具有最大值；,(3) 隨著溫度的升高，光譜輻射力取得最大值的波長(zhǎng)max愈來(lái)愈小，即在坐標(biāo)中的位置向短波方向移動(dòng)。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,維恩位移定律,mK,計(jì)算溫度分別為300K和5800K時(shí)最大光譜輻射力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)max。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,三、斯忒藩-玻耳茲曼定律,黑體輻射的輻射力與溫度的關(guān)系遵循斯忒藩-波爾茲曼定律：,傳熱學(xué)C Heat Transfe

7、r,波段范圍內(nèi)輻射力的計(jì)算,為了計(jì)算上式，先計(jì)算（0)的輻射占總輻射力的百分比：,表8-2給出了黑體輻射函數(shù)表，即 f( T)的數(shù)值。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,傳熱學(xué)C Heat Transfer,例題：計(jì)算太陽(yáng)輻射中可見(jiàn)光所占的比例。,解：太陽(yáng)可認(rèn)為是表面溫度為T(mén) = 5762 K的黑體，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍是0.380.76m ，即1 = 0.38 m , 2 = 0.76 m , 于是,mK,mK,由黑體輻射函數(shù)表可查得,可見(jiàn)光所占的比例為,傳熱學(xué)C Heat Transfer,一、實(shí)際物體的光譜輻射力 和光譜發(fā)射率,8-3 實(shí)際物體和灰體的輻射,傳熱學(xué)C Heat Trans

8、fer,二、實(shí)際物體的輻射力 和發(fā)射率,傳熱學(xué)C Heat Transfer,三、實(shí)際物體的定向輻射度 和定向發(fā)射率,幾種非金屬材料的定向發(fā)射率,幾種金屬材料的定向發(fā)射率,傳熱學(xué)C Heat Transfer,部分常見(jiàn)材料表面的法向發(fā)射率,傳熱學(xué)C Heat Transfer,四、實(shí)際物體的光譜吸收比,設(shè)下標(biāo)1、2分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體1的吸收比為,傳熱學(xué)C Heat Transfer,物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)的溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長(zhǎng)的能量分布有關(guān)。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,實(shí)際物體的光譜吸收比對(duì)投入輻射的波長(zhǎng)有選擇性這一情況給輻射換熱的工程

9、計(jì)算帶來(lái)很多不便。,五、灰體,光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的理想物體稱(chēng)為灰體。,在紅外線的輻射范圍內(nèi)大多數(shù)工程材料可以當(dāng)作灰體處理。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,六、基爾霍夫定律,基爾霍夫定律給出了實(shí)際物體輻射能力與吸收能力的關(guān)系。,列出處于熱平衡時(shí)，實(shí)際物體2的能量收支關(guān)系。,熱平衡時(shí)：,傳熱學(xué)C Heat Transfer,七、關(guān)于基爾霍夫定律和灰體的幾點(diǎn)說(shuō)明,1、根據(jù)基爾霍夫定律，物體的輻射能力越大，其吸收能力也越大。換句話(huà)，善于輻射的物體必善于吸收。,2、對(duì)于工程問(wèn)題而言，只要在所研究的波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜吸收比基本上與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，則灰體的假定是成立的。,3、當(dāng)研究物體表面對(duì)太陽(yáng)能的吸收時(shí)，

10、一般不能把物體當(dāng)作灰體處理。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,8-4 角系數(shù)的定義、性質(zhì)和計(jì)算,一、角系數(shù)的定義,兩個(gè)表面的輻射換熱量與兩個(gè)表面之間的相對(duì)位置有很大關(guān)系。如圖所示：,我們把從表面1發(fā)出的輻射能中落到表面2上的百分?jǐn)?shù),稱(chēng)為表面1對(duì)表面2的角系數(shù),記為X1,2,傳熱學(xué)C Heat Transfer,二、角系數(shù)的性質(zhì),1、角系數(shù)的相對(duì)性,對(duì)于兩個(gè)黑體表面：,傳熱學(xué)C Heat Transfer,在幾個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)中，任一個(gè)表面對(duì)封閉腔各個(gè)表面的角系數(shù)之和等于1。,2、角系數(shù)的完整性,傳熱學(xué)C Heat Transfer,3、角系數(shù)的分解性,傳熱學(xué)C Heat Transfer,4、代數(shù)法求角系數(shù),利用角系數(shù)的相對(duì)性、完整性及可加性來(lái)獲得角系數(shù)的方法。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,傳熱學(xué)C Heat Transfer,8-5 兩個(gè)表面間的輻射換熱,一、黑體表面間的輻射換熱計(jì)算,空間輻射熱阻,傳熱學(xué)C Heat Transfer,二、有效輻射,單位時(shí)間離開(kāi)單位面積的總輻射能為有效輻射，記為J 。,物體表面與外間的輻射換熱量與有效輻射J 之間的關(guān)系：,表面輻射熱阻,傳熱學(xué)C Heat Transfer,采用有效輻射的概念，任意兩個(gè)表面的輻射換熱量可表示成：,三、兩個(gè)漫灰表面組成封閉系統(tǒng)的輻射換熱,空