熱輻射與輻射換熱

1、梁秀俊,高等傳熱學(xué),熱輻射與輻射換熱部分,一、一些基本概念二、黑體輻射三、實際物體的輻射與吸收四、輻射換熱的計算,梁秀俊,高等傳熱學(xué),一、一些基本概念,可見光的波長范圍：0.38~0.76μm,梁秀俊,高等傳熱學(xué),1、吸收、反射和透射,投射輻射周圍物體在單位時間內(nèi)投射到物體單位表面積上的輻射能。用G表示，單位W/m2 。,梁秀俊,高等傳熱學(xué),視物體表面狀況（平整程度）和投入輻射的波長，表面的反射又分為鏡反射和漫反射。,漫反射是把來

2、自任意方向、任意波長的投入輻射以均勻的強度（不是“能量”）反射到半球空間所有方向上去。,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。,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),2、特殊輻射體,吸收比? = 1的物體稱為黑體。,反射比? = 1的物體稱為白體（或鏡體）。,透射比? = 1的物體稱之為透明體。,例如，煤炭的吸收比達到0.96，磨光的金子反射比幾乎等于0.98，而常溫下空氣對熱射線呈現(xiàn)透明的性質(zhì)。,梁秀俊,高等傳熱學(xué),輻射力E

3、：單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間所有方向輻射出去的全部波長的能量總和 。W/m2從總體上表征物體發(fā)射輻射能本領(lǐng)的大小。,3、輻射能力,光譜輻射力:在單位時間內(nèi)物體單位面積上向半球空間所有方向發(fā)射的從?到?+d?波長的輻射能稱為光譜輻射力，用E?表示，單位為W/m3。,梁秀俊,高等傳熱學(xué),定向輻射強度:單位可見面積發(fā)射出去的落在空間任意方向的單位立體角中的能量。,梁秀俊,高等傳熱學(xué),二、黑體輻射,吸收比? = 1的物體稱為黑體。

4、,黑體還應(yīng)具有什么性質(zhì)？,黑體輻射具有什么特性？,梁秀俊,高等傳熱學(xué),二、黑體輻射,1、普朗克定律(1900),維恩Wien位移定律(1893),梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),【解】應(yīng)用Wien位移定律T=2000K時 ?max=2.9?10-3/2000=1.45 ?mT=5800K時 ?max=2.9?10-3/5800=0.50 ?m常見物體最大輻射力對應(yīng)的波長在紅外線區(qū)太陽輻射最大輻射力對應(yīng)的波長在可見光區(qū),【例】試分別計算溫

5、度為2000K和5800K的黑體的最大光譜輻射力所對應(yīng)的波長。,梁秀俊,高等傳熱學(xué),2、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：,普朗克定律與Stefan-Boltzmann定律的關(guān)系,特定波長區(qū)段內(nèi)的黑體輻射力,通常把波段區(qū)間的輻射能表示為同溫度下黑體輻射力的百分?jǐn)?shù)，記作　　　，稱作黑體輻射函數(shù)。,梁秀俊,高等傳熱學(xué),梁秀俊,高等傳熱學(xué),梁 秀 俊,【例】試求溫度為1400K和6000K時的黑體輻射

6、中可見光所占的份額。,Fb(λ1-λ2)=Fb(0-λ2)-Fb(0-λ1)=0.07%。,同樣的做法可以得出6000K的黑體在可見光范圍所占的份額為Fb(λ1-λ2)=Fb(0-λ2)-Fb(0-λ1)=57.3%-11.3%=46%。,【解】：可見光的波長范圍是從0.38μm到0.76μm，對于1400K的黑體其λT值分別為532和1064?？蓮谋?－1查得Fb(0-λ1)和Fb(0-λ2)分別為<<0.1%和0.07

7、%。于是可見光所占份額為,高等傳熱學(xué),梁秀俊,高等傳熱學(xué),3、蘭貝特定律,黑體輻射的定向輻射強度是個常量，與空間方向無關(guān)。,思考：蘭貝特定律是否說明黑體對外輻射的能量在空間各個方向是相等的？,黑體單位面積輻射出去的能量在空間的不同方向分布是不均勻的，其定向輻射力隨緯度角?呈余弦規(guī)律變化。法向最大，切向最小。Lambert定律也稱為余弦定律。,梁秀俊,高等傳熱學(xué),遵循蘭貝特定律的表面為漫輻射表面，數(shù)值上其輻射力等于定向輻射強度的π倍。,

8、梁秀俊,高等傳熱學(xué),１、Stefan-Boltzmann定律：確定黑體輻射力２、Planck定律：黑體輻射能量按波長分布規(guī)律３、Lambert定律 ：黑體輻射能量按空間方向的分布規(guī)律。 維恩位移定律：確定黑體的光譜輻射力峰值所對于的最大波長。,黑體輻射定律小結(jié),梁秀俊,高等傳熱學(xué),三、實際物體的輻射與吸收,對于實際固體和液體的輻射與吸收特性是與黑體相比較而得到的。,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),分別把實際固體和液體的輻射力、光譜輻

9、射力和定向輻射強度與同溫度下黑體的數(shù)值相比較，從而得到發(fā)射率ε(黑度)、光譜發(fā)射率 （單色黑度）和定向發(fā)射率 （定向黑度）的概念。,1、實際物體的輻射,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),1、實際物體的輻射,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),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,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),幾種金屬導(dǎo)體在不同方向上的定向發(fā)射率 (t=150℃),從θ＝0℃開始，在一定角度范圍內(nèi)，可認(rèn)為是常數(shù)，然

10、后隨著角θ的增加而急劇地增大。在接近θ＝90℃的極小角度范圍內(nèi)，又減?。ㄔ跇O小角度內(nèi)，圖中未表示出來）,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),幾種非金屬在不同方向上的定向發(fā)射率 (t=0～93.3℃),① θ＝0～60℃,ε(? )基本不變；② θ>60℃ ，ε(? )明顯減少；③ θ＝90℃ ，ε(? )降為0,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),影響物體發(fā)射率的因素,ε＝f（物質(zhì)的種類、表面狀況、表面溫度）只與發(fā)射物體有關(guān)，而不涉及外界條件。,①

11、不同種類物質(zhì)的ε：常溫下白大理石ε＝0.95；常溫下鍍鋅鐵皮ε＝0.23②同一物體不同溫度ε：嚴(yán)重氧化的鋁表面50℃時ε＝0.2；500℃時ε＝0.3 ③同一材料，不同表面狀況：a常溫下無光澤黃銅ε＝0.22；磨光后的黃銅ε＝0.05,大部分非金屬材料的發(fā)射率一般在0.85～0.95之間；且與表面狀況關(guān)系不大，在缺乏資料時，可近似取為0.9。,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),部分常見材料表面的法向發(fā)射率,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),對應(yīng)于黑體的

12、輻射力Eb，光譜輻射力Eb?和定向輻射強度L，分別引入了三個修正系數(shù)，即發(fā)射率?，光譜發(fā)射率?(? )和定向發(fā)射率?(? )，其表達式和物理意義如下,實際物體的輻射力與黑體輻射力之比:,實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比：,實際物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度之比：,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),2、實際物體的吸收比,實際物體的光譜吸收比,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),根據(jù)前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)的溫度有關(guān)外

13、，還與投入輻射按波長的能量分布有關(guān)。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,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),物體表面對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系 材料自身溫度T1為294K,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),溫室大棚就是利用了玻璃對輻射能吸收的選擇性,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),實際物體的光譜吸收比對投入輻射的波長有選擇性這一情況給輻射換熱的工程計算帶來很多不便。,3、灰體,光譜吸收比與波長無關(guān)的理

14、想物體稱為灰體。,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。,引入的意義：不管投入輻射的分布如何，?均為常數(shù)，即物體的吸收比只取決于本身的情況而與外界情況無關(guān)。,本課程的研究范圍內(nèi)，輻射傳熱計算假設(shè)表面為漫灰的。,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),4、基爾霍夫定律,基爾霍夫定律給出了實際物體輻射能力與吸收能力的關(guān)系。,列出處于熱平衡時，實際物體2的能量收支關(guān)系。,但是，這個等式是有條件的。,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),基爾霍夫定律的四種表達

15、形式：,無條件成立,漫射表面,灰體表面,漫射灰體表面或與黑體處于熱平衡,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),關(guān)于基爾霍夫定律和灰體的幾點說明,1、根據(jù)基爾霍夫定律，在一定條件下，物體的輻射能力越大，其吸收能力也越大。換句話，善于輻射的物體必善于吸收。,2、對于工程問題而言，只要在所研究的波長范圍內(nèi)光譜吸收比基本上與波長無關(guān)，則灰體的假定是成立的。,3、當(dāng)研究物體表面對太陽能的吸收時，一般不能把物體當(dāng)作灰體處理。,例、北方深秋季節(jié)的清晨，樹葉葉面上

16、常常結(jié)霜。試問樹葉上、下面的哪一面結(jié)霜?為什么?,答：霜會結(jié)在樹葉的上表面。因為清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的溫度低于攝氏零度，而地球表面溫度一般在零度以上。由于相對樹葉下表面來說，其上表面需要向太空輻射更多的能量，所以樹葉下表面溫度較高，而上表面溫度較低且可能低于零度，因而容易結(jié)霜。,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),,,有效輻射,角系數(shù),四、輻射換熱的計算,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),1、角系數(shù),（1）

17、角系數(shù)的定義,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),稱為表面1對表面2的角系數(shù),記為,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),（2）角系數(shù)的性質(zhì),研究如圖示中微元面dA1到另一個微元面dA2的角系數(shù)，根據(jù)定義得：,角系數(shù)的相對性,,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),在幾個表面組成的封閉系統(tǒng)中，任一個表面對封閉腔各個表面的角系數(shù)之和等于1。,角系數(shù)的完整性,,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),角系數(shù)的可加性,,,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),(3)角系數(shù)的計算,1)

18、定義法,,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),,2)直接積分法,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),3)代數(shù)分析法,利用角系數(shù)的相對性、完整性及可加性。,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),2、有效輻射,單位時間離開物體單位面積的總輻射能為有效輻射，記為J 。單位W/m2,對于黑體,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),3、輻射熱網(wǎng)絡(luò)法的輻射換熱計算,(1) 輻射網(wǎng)絡(luò)的主要熱阻,空間輻射熱阻,,,如果是黑體,梁秀俊

19、,高等傳熱學(xué),任意物體表面與外界的輻射換熱量（輻射散熱量）與有效輻射J 之間的關(guān)系：,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),(2)網(wǎng)絡(luò)法輻射換熱,稱為系統(tǒng)黑度,梁秀俊,高等傳熱學(xué),梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),三個表面組成的封閉系統(tǒng),畫出等效的網(wǎng)絡(luò)圖,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),列出節(jié)點的熱流方程,,上面三個表面組成的封閉系統(tǒng)中節(jié)點J1的方程為：,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),求解由各節(jié)點方程組成的方程組，得到J1、J2等,確定每個表面的凈輻射換熱量或任意兩個表面間

20、的輻射換熱量。,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),黑體表面,因此有：,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),重輻射面,與黑體表面情況的區(qū)別，重輻射面的溫度是待定的。,梁 秀 俊,高等傳熱學(xué),4、杰勃哈特法的輻射換熱計算,1）定義：表面1發(fā)出的輻射能中最終被表面2吸收的份額，稱為表面1對表面2的吸收因子，記作B1,2,(1)吸收因子,2）吸收因子的性質(zhì),相對性,完整性,梁秀俊,高等傳熱學(xué),(2)表面輻射散熱分析,根據(jù)吸收因子的定義，在封閉系統(tǒng)中，任意表面j的凈

21、輻射散熱為,1對j的吸收因子為,類似,梁秀俊,高等傳熱學(xué),梁秀俊,高等傳熱學(xué),,,梁秀俊,高等傳熱學(xué),5、射線蹤跡法的輻射換熱計算,射線蹤跡法的基本特點是追蹤表面發(fā)射的能束，跟蹤分析觀察能束的反射吸收情況，直到能束被完全吸收。,表面1單位面積散熱,梁秀俊,高等傳熱學(xué),表面1單位面積散熱,梁 秀 俊,傳熱學(xué) Heat Transfer,6.簡單形狀鏡面間的輻射換熱,鏡像分析法,從一個表面鏡反射的輻射射線，就像來自鏡面后邊的成像發(fā)射出來