高等传热传质学3

2018/7/29,1,高等辐射传热学 教材,2018/7/29,2,绪 论,2018/7/29,3,2004.6.21 2004.9.29 2004.10.4,太空船,2018/7/29,4,Ansari X Prize 评奖条件： 航天器必须搭乘一名航天员和两名乘客（或同重物体）飞上100公里外的空间、停留一定时间再安全返回地球，并能在两周内重复一次。 总额：1000万美元 有效期：1998.4-2005.1,空天航天器,2018/7/29,5,运载火箭,2018/7/29,6,燃烧 锅炉及锅炉房设备,2018/7/29,7,只要温度高于绝对零度（0K是基态，非激发态，不发射），任何物体都随时间向周围空间发射电磁波。辐射是物质的固有属性。热辐射指波长0.1100m(有的指0.0011000 m)的电磁波，它是与热和光有关的波段。,辐射,2018/7/29,8,热辐射在工程技术中的重要性、特点,太阳能、高温设备、核、航空航天、发动机尾焰、红外隐身等 与导热对流不同点,1,2,辐射能的传递不需要介质，真空中唯一的传递能量的方式。,2018/7/29,9,辐射问题固有的复杂性,数学描述 方程中物性值难以准确测量，原因是影响因素太多 辐射的微观机理至今未清,2018/7/29,10,辐射问题固有的复杂性 数学描述,导热,导热、对流的热平衡仅考虑该位置紧邻处的情况。,2018/7/29,11,辐射问题固有的复杂性 数学描述,辐射传热,到达每单位面积dA上的总辐射能为,上述热平衡有着积分方程的形式，当与导热对流耦合时，温度的不同次幂，而且是积分-微分方程组。,2018/7/29,12,辐射问题固有的复杂性,方程中物性值难以准确测量，原因是影响因素太多,表面的粗糙度、材料的纯度、涂层厚度、薄涂层基体的影响、温度、辐射波长、辐射离开表面的角度、吸收系数、散射系数等 吸收率、发射率、反射率,2018/7/29,13,辐射问题固有的复杂性,辐射的微观机理至今未清,2018/7/29,14,电磁波谱,辐射能的传递如何考虑：经典的电磁波理论和量子力学。 波动性waves 光子photons 真空中光速 可见光：0.40.7m,2018/7/29,15,电磁辐射波谱及产生机理,2018/7/29,16,教材,Robert Siegel, John R. Howell. Thermal radiation heat transfer. 4th edition, Taylor&Francis, 2002 曹玉璋，黄素逸，陆大有，陶文铨，朱芙英，胡桅林译，刘才铨校. R 西格尔，JR 豪威尔著。 热辐射传热。科学出版社，1990 余其铮编著，辐射换热原理，哈尔滨工业大学出版社，2000,2018/7/29,17,第一章 黑体辐射,2018/7/29,18,黑体的定义和特点, Blackbody,一种理想的物体，它允许所有的入射辐射进入其内，并吸收所有的入射的辐射能。 黑体是理想的吸收体 黑体是理想的发射体 黑体的辐射各向同性，方向光谱辐射强度处处相同 黑体在各个方向、各个波长下都是理想的发射体和吸收体 黑体对真空的总辐射能量仅是温度的函数，环境温度不影响黑体的辐射行为,2018/7/29,19,黑体特性讨论图,20,12.2.1 Mathematical definitions,Solid angle,The arc length dl Radius r The solid angle d The zenith angle The azimuthal angle,21,12.2.1 Mathematical definitions,Solid angle,The solid angle d,22,Solid angle,The hemispherical solid angle ,Where h refers to integrating over the hemisphere. sr: the unit steradian.,2018/7/29,23,立体角示意图,2018/7/29,24,黑体的发射特性 黑体的辐射强度定义,Blackbody radiation intensity: 每单位时间在波长附近的每单位波长间隔内，垂直于(,)方向的每单位投影面积，发射到以(,)方向为中心的单位立体角内的能量。与现代光学上，或物理学上的亮度L的定义相同，物理学上的辐射强度描述点辐射源，为：,2018/7/29,25,黑体表面的光谱辐射强度定义图,2018/7/29,26,黑体辐射力(power),Blackbody radiation power: 每单位时间内在波长附近的每单位波长间隔内，从每单位面积的黑体表面，发射到以(,)方向为中心的单位立体角内的能量。,称为黑体表面的方向光谱辐射力,2018/7/29,27,黑体辐射强度与角度无关,因为是在投影面积的基础上定义的，所以黑体辐射强度与发射方向无关。,2018/7/29,28,推导过程,2018/7/29,29,黑体辐射角分布图,2018/7/29,30,黑体辐射强度与角度无关,黑体辐射强度与发射方向无关,理解,2018/7/29,31,Lambert定律,与无关,Lambert cos定律，符合的称为漫射表面,对黑体，因为是理想体（作为比较基准），从辐射强度和辐射力的定义知,2018/7/29,32,黑体的半球光谱辐射力,方向光谱辐射力对表面上方的半球壳的全部立体角进行积分所得的光谱辐射力，称为半球光谱辐射力,黑体的半球辐射力是辐射强度的倍，或者是垂直于表面的方向辐射力的倍。,2018/7/29,33,Plancks law，黑体半球光谱辐射力,下标0表示真空，或n=1的介质，常省略,2018/7/29,34,黑体在不同温度下的半球光谱辐射力分布图,太阳5780K,2018/7/29,35,黑体半球辐射力的光谱分布,2018/7/29,36,Wien位移定律,黑体半球光谱辐射力达最大值时的波长称为,2018/7/29,37,黑体总辐射强度和半球总辐射力,Stefan-Boltzmann常数,2018/7/29,38,例题1,已知一黑体表面沿法向发射的辐射总能量在每单位立体角每单位表面积为10000w/(m2.sr)，求该表面的温度？ 解：半球总辐射力与法向总辐射强度的关系式为 所以，表面温度为,2018/7/29,39,例题2,已知一黑体表面半球总辐射力为20kw/m2，求该表面的温度？另外具有最大光谱辐射强度的波长是多少？ 解：根据Stefan-Boltzmann定律，黑体的半球总辐射力与温度的关系式为 所以，表面温度为,根据Wien定律有,2018/7/29,40,例题3,已知一表面温度为1000C的黑体向真空发射。求在光谱6m的辐射强度，以及天顶角60度方向的方向光谱辐射力和半球光谱辐射力？ 解：Planck定律,Stefan-Boltzmann定律,2018/7/29,41,黑体在波长间隔内的辐射 份额函数,份额函数可直接查表，不需复杂的数值积分计算,2018/7/29,42,黑体辐射力在0到T范围内的份额图,2018/7/29,43,黑体在介质中（非真空）辐射,2018/7/29,44,黑体的实验室制备,2018/7/29,45,定义,半球,总：指对全部光谱（波长）的积分 率：-ivity固有属性 性：-ance,方向(,)，光谱,2018/7/29,46,黑体辐射量图解一,2018/7/29,47,黑体辐射量图解一,2018/7/29,48,黑体辐射量图解一,2018/7/29,49,黑体辐射量图解二,2018/7/29,50,黑体辐射量图解二,2018/7/29,51,黑体辐射量图解二,2018/7/29,52,概念复习,2018/7/29,53,思考题,1 一黑体T=2778K，一位实验者想用辐射探测器来测量该黑体的总辐射力。该探测器能吸收=0.85m光谱内的所有辐射，但探测不到这一区域外的能量。试问实验者对该探测结果如何修正？如果探测器可在其灵敏区的一端扩展0.5 m,问应在哪一段扩展？,2018/7/29,54,第二章 非黑、非透明表面辐射性质的定义,2018/7/29,55,2-1 引言,半球,总：指对全部光谱（波长）的积分 率：-ivity固有属性 性：-ance,方向(,)，光谱,2018/7/29,56,2-2 发射率,2-2-1 方向光谱发射率 =真实物体在某一方向某一波长内发射的能量/黑体在同一方向同一波长内发射的能量,2018/7/29,57,2-2-2 方向总发射率,物体：,黑体：,2018/7/29,58,2-2-3 半球光谱发射率,2018/7/29,59,2-2-4 半球总发射率,2018/7/29,60,发射率例题,一个表面温度为1000K，其发射率(,)与 无关，但与的关系如下图所示，求表面的半球总发射率和半球总辐射力。 解：,2018/7/29,61,思考题,2018/7/29,62,简答,2018/7/29,63,2-3 吸收率,分母为：dA截获的入射辐射能量 分子为：dA吸收的入射辐射能量,2-3-1 方向光谱吸收率：非吸收介质中,2018/7/29,64,2-3-2 Kirchhoffs law,将dA放在一个等温的黑体封闭腔内，处于热力学平衡状态，则有：,这是该定律最通用的形式。,2018/7/29,65,2-3-3 方向总吸收率,2018/7/29,66,2-3-4 方向总特性的Kirchihoff定律,灰体,2018/7/29,67,2-3-5 半球光谱吸收率,当入射辐射强度与方向无关，或在所有方向均相同漫射表面,2018/7/29,68,2-3-6 半球总吸收率,漫射灰体时？,2018/7/29,69,吸收率例题,一表面温度为300K，,求,从一黑体1000K辐射源入射。,解：对漫入射,2018/7/29,70,2-3-7 漫射灰表面,漫射：方向发射率和方向吸收率与方向无关。 灰：光谱发射率和光谱吸收率与波长无关。,漫射灰体：方向光谱值和半球总值是相等的。,2018/7/29,71,2-4 反射率,复杂性：两个方向,方向方向光谱反射率,2018/7/29,72,2-4-1 双向光谱反射率,这个定义的反射率有量纲。 分母：被dA截获的每单位面积单位波长间隔的能量。,对所有的入射角积分时，我们得到反射辐射强度：,2018/7/29,73,2-4-2 双向光谱反射率的互换性,可证明,2018/7/29,74,互换性的证明,思考题,2018/7/29,75,2-4-3 方向半球光谱反射率,2018/7/29,76,2-4-4半球方向光谱反射率,2018/7/29,77,2-4-5 方向光谱反射率的互换性,对均匀入射，即入射辐射强度与方向无关时，可得：,2018/7/29,78,2-4-6 半球半球光谱反射率,2018/7/29,79,2-4-7 漫反射表面 漫射反射表面,LP 0-3-0，HP 1-0-1,反射的光谱强度在所有的反射方向上均相同，从而：双向光谱反射率与反射方向无关。,2018/7/29,80,2-5 总反射率,2-4节中的所有定义对光谱积分，其他内涵相同。,双向总反射率 方向半球总反射率 半球方向总反射率 半球总反射率（半球半球总反射率）,2018/7/29,81,概念术语区别,方向，双向，半球 光谱，总漫射 漫反射 均匀入射（均匀照射），又称漫射入射 灰体,2018/7/29,82,2-6 反射率、吸收率和发射率的关系,考虑光谱能量：,考虑总能量：灰表面,2018/7/29,83,反射率、吸收率和发射率的关系,半球入射：半球吸收、半球半球反射,半球半球总：漫射入射（或称均匀入射），灰表面,2018/7/29,84,思考题,下面的2例题,2018/7/29,85,例题1,太阳辐射入射到位于地球大气层外轨道的一表面上。该表面的温度为1000K，其方向发射率如下图所示。如果入射能量的方向与表面法线成25度角，试求反射的能流密度是多少？,2018/7/29,86,例题1图,2018/7/29,87,例题2,有一个温度为500K的表面，其法向的光谱发射率可近似用下图表示。用冷却水使该表面维持500K ，然后用加热到温度为Ti=1500K的黑体半球将其包围，试问表面法向的反射强度为多少？ 答案：35.3kw/(m2.sr),2018/7/29,88,例题2图,2018/7/29,89,下面2例题。,作业,2018/7/29,90,例3-6,太阳辐射入射到位于地球大气层外轨道的一表面上。该表面的温度为1000K，其方向发射率如图所示。如果入射能量的方向与表面法线成25度角，试求反射的能流密度是多少？,2018/7/29,91,例3-6,2018/7/29,92,例题3-7,有一个温度为500K的表面，其法向的光谱发射率可近似用下图表示。用冷却水使该表面维持500K ，然后用加热到温度为Ti=1500K的黑体半球将其包围，试问表面法向的反射强度为多少？ 答案：35.3kw/(m2.sr),2018/7/29,93,例题3-7图,2018/7/29,94,第三章 电磁理论预测辐射性质,辐射性质与材料电磁性质参数关系 电磁波在介质中的传递理论,2018/7/29,95,3-1 引言,James Clerk Maxwell在1864年发表了一篇著名论文，确立了电场和磁场相互之间的关系，并认识到电磁波是以光速传播的，光本身就是电磁波的一种形式。 波动方法阐述光的许多性质和热辐射，目的找出材料的辐射性质和光学及电学性质之间的关系，即证明材料的反射率、发射率和吸收率在某些情况下可以根据材料的电学、光学性质进行计算。 这个理论在100年前提出，在工程上没有得到广泛的应用，主要原因是要表面绝对光滑。揭示规律，指导实验数据外推。,2018/7/29,96,3-2 电磁方程,Maxwell方程：没有电荷积聚，各向同性，真空中。 导磁率 电容率电阻率 导电率=1/电阻率,2018/7/29,97,3-3 介质内辐射波的传递,一维场方程（平面波）： 电磁波沿方向传播，方向单位矢量n 在等平面上：r.n=常数,2018/7/29,98,1-D传播：,2018/7/29,99,2018/7/29,100,利用上面的关系式写出一维电磁场的Maxwell方程为：,(I) (II) (III) (IV),2018/7/29,101,下面推导电场强度和磁场强度各自的控制方程形式，便于求解,2018/7/29,102,从而得：,2018/7/29,103,2018/7/29,104,同理从Maxwell方程中可导得磁场控制方程为,2018/7/29,105,对电场强度,又从Maxwell方程(II)等可以导得：,2018/7/29,106,在所有导电介质中，很小，如海水中 在不良导体中， 在绝缘介质中， 从而，如介质的导电性有限，电场强度呈指数很快衰减，在导体内部不能维持一个静电场。 在理想绝缘介质中，E可以存在，但与时间无关。 这也说明了E场的横向性。,2018/7/29,107,可以证明：E、H有横波分量，在传播方向没有变化的分量,物理意义是：沿n方向H相对于n或t均没有变化，所以可设其为0。同时也说明了H场的横向性。,2018/7/29,108,3-3-2 在理想绝缘介质中的传播,理想绝缘介质，即衰减系数K=0，如真空或其他绝缘体，,2018/7/29,109,平面波的传播方程解,假设平面波沿x方向传播，在真空中，电阻率无穷大，所以,2018/7/29,110,f函数描述波沿x正向传播，g函数描述波沿x反向传播。仅考虑正向。 波的传播速度。观察者随波一起运动，那么观察者总处于一个固定的 值。要f固定，则其变量为常数：,2018/7/29,111,与电场耦合的磁场的解与上述电场解相似。平面波的电磁场解的波形如上图所示。,2018/7/29,112,波动方程解的复数形式,上式波动方程解式可以用复数形式表示，假设原点处(x=0)波形随时间变化关系为：,传播到x位置的波方程为：真实介质中是一衰减波,2018/7/29,113,介质中的波速,真空中的波速,单折射率n定义,2018/7/29,114,3-3-3 在有限导电率的各向同性介质中的传播：金属、半导体,引入一个随距离按指数规律衰减的波：,K为介质中的衰减系数,2018/7/29,115,为复折射率，n、K为正实数,代入控制方程：,实部虚部分别相等，得：,2018/7/29,116,用复折射率代替单折射率，对理想绝缘介质导得的某些关系式对导电介质将仍然成立。类比法。少数情况不成立。,有用的关系式,2018/7/29,117,3-3-4 电磁波的能量,Poynting Vector: 单位时间单位面积内通过的电磁波的能量 对沿x方向传播的平面电磁波，,2018/7/29,118,介质吸收系数与光学上衰减系数关系,|S|是一个光谱量，它是与前面讲的方向光谱辐射强度的量成比例的。辐射强度中的衰减系数必定等于Ey中衰减项 的平方。 在后面我们使用吸收系数a去描述介质中吸收引起的指数衰减，辐射强度的衰减为：,这为从衰减系数的光学数据中求介质的光谱吸收系数提供了一个手段。,2018/7/29,119,3-5 反射定律和折射定律 两介质交界面处电磁波的传播,3-5-1 两理想绝缘体交界面上的反射和折射,2018/7/29,120,I 入射平面内偏振(极化)的平面波,波的振幅方向位于入射平面内或平行于入射平面。,取实部,2018/7/29,121,2018/7/29,122,入射波在x,y,z方向的分量,2018/7/29,123,对反射波,2018/7/29,124,对折射波,2018/7/29,125,BC,交界面处的边界条件：平行于交界面的场的强度分量相等。,2018/7/29,126,Snell 定律,因为上式对任意的t,y均成立，所以只能是：,2018/7/29,127,反射分量和折射分量,该式中折射分量可以通过相耦合的磁场强度分量消去,对金属和绝缘体,2018/7/29,128,II 垂直入射平面内偏振(极化)的平面波,能量正比于波的振幅的平方。所以反射率：,下标S: specular，因为所有电磁理论预测的都是镜面的,2018/7/29,129,III 非偏振(极化)的平面波入射，反射率,电磁场没有确定的方向，平行分量和垂直分量相等。所以反射率：,称：Fresnels equation。它给出了非极化（非偏振）入射波在理想绝缘介质交界面上的反射率,2018/7/29,130,3-5-2 吸收介质表面的入射,当波在无穷衰减介质介质中传播时，只要用复折射率代替单折射率，控制方程相同。对界面问题也一样。Snell定律,注意：sin是一个复数，不能简单解释为折射角了。除法向入射外，n也不再与传播速度直接相关。仍为入射角。,2018/7/29,131,倾斜入射情况,2018/7/29,132,真空中投射到衰减介质 上。折射后，波的等相位平面仍然垂直于波的传播方向，这些等相位平面以相速度 向前推进。 介质中波的衰减正比于波在介质中的传播距离，所以等振幅的平面平行于交界面，即等x平面。这种等振幅平面与等相位平面不重合的波，称为非统一波（inhomogeneous) x方向的衰减系数称做 。法向入射,2018/7/29,133,介质中的波动方程为：,折射传播角不等于Snell定律中的，因为复数。,2018/7/29,134,衰减介质中平面波的控制方程为,代入波的方程，将实部和虚部分别相等,2018/7/29,135,并利用前面导得的,这三个方程，可从n,K,算得,。这样就给出了衰减介质中波的传播描述。,2018/7/29,136,用复折射率表示的反射定律,对法向入射，用 代替n:,2018/7/29,137,对倾斜入射，与前同：,注意到上式的复杂性：cos为复数，所以求其共轭复数要交换。,2018/7/29,138,例：真空或空气中入射到具有n,K性质的衰减介质中,即,2018/7/29,139,代入反射率公式得,2018/7/29,140,3-6 应用电磁理论计算辐射性质,应用限制：计算中的假设；量子效应，即当波的振动频率与分子振动频率相同数量级时，该理论本身也不成立。从而只能计算比可见光波长长的长波。,2018/7/29,141,3-6-1 理想绝缘材料的辐射性质,反射率,消去折射角,2018/7/29,142,这个角称为Brewsters angle。在这个角度下，反射的平面波全部为垂直偏振的波。,2018/7/29,143,思考题,0.202,0.301,0.252; 0.047,0.020,2018/7/29,144,发射率,物体不透明,LP 0-3-0，HP 1-0-1,积分是很繁琐的。而且缺乏光学性质数据 对的解析表达式，所以常将 当作。,2018/7/29,145,3-6-2 吸波材料,玻璃对可见光衰减很小，但对红外线辐射衰减很大。金属通常具有高的吸波性能。当考虑K时，从空气或真空中入射时其反射率公式为：2002原版教材,2018/7/29,146,3-6-3 金属的辐射特性，大K值,2018/7/29,147,Hagen-Rubens方程,这就是Hagen-Rubens方程。误差较大,2018/7/29,148,金属材料法向向空气或真空中辐射的法向发射率,2018/7/29,149,金属材料法向向空气或真空中辐射的半球发射率,2018/7/29,150,思考题,2018/7/29,151,3-7 辐射性质理论的推广,Surface microgeometry A microcontoured surface Semiconductor and photonic devices Radiation tunneling,2018/7/29,152,第四章 实际材料的辐射性质,2018/7/29,153,4-1 引言,电磁理论对光学上光滑表面辐射性质的计算结果与实际材料的表面测量结果差别较大。实际测量在表面辐射性质研究必不可少。 实际材料热辐射性质随波长、温度、粗糙度、发射方向等的变化。 绝缘材料、半导体、金属、涂层。,2018/7/29,154,4-2 金属材料的辐射特性,金属发射的总体特性:纯净光滑的金属表面一般发射率和吸收率均低，因而反射率较高。 金属发射特性的影响因素: (1)发射方向 (6)熔融金属 (2)波长 (3)表面温度 (4)表面粗糙度 (5)表面杂质,表面涂层,2018/7/29,155,4-2 金属材料的辐射特性,纯净光滑的金属表面一般发射率和吸收率均低，因而反射率较高。 金属具有低发射率的例外：当波长变短时，光谱发射率可以增加到0.5或更大，或者当温度升高时发射率变得较大。,2018/7/29,156,4-2-1 方向上的变化,磨光金属表面除90度附近外，方向发射率随天顶角增加而增大。已被电磁理论预测到。铂金属。,2018/7/29,157,4-2-1 方向上的变化：磨光钛,磨光金属表面除90度附近外，方向发射率随天顶角增加而增大。 对短波可能有偏差。右图磨光钛的方向光谱发射率。,2018/7/29,158,4-2-2 波长的影响,金属的光谱发射率在红外区域随波长的减小而增加。 图中铜曲线是例外，其发射率随波长相对地保持不变。,2018/7/29,159,4-2-2 波长的影响,在波长很短时，电磁理论预测失效。绝大多数金属在在靠近可见光的某处有一个最大发射率，而后随着波长的进一步减少，发射率进一步降低，如右图的钨金属发射率特性。,2018/7/29,160,4-2-3 表面温度的影响,Hagen-Rubens关系式：,在大多数情况下，纯金属的光谱发射率象电阻率一样随温度的增加而增大。在短波，温度的影响正相反，光谱发射率随温度的增加而减小。,不同温度下钨金属的半球光谱发射率计算值与实验值比较,2018/7/29,161,4-2-3 表面温度的影响,在大多数情况下，纯金属的光谱发射率象电阻率一样随温度的增加而增大。 原因是，随着温度的增加，黑体辐射曲线的最大值向短波方向移动，因此，在较高的光谱发射率区相应地有更多的辐射被发射出去，这样导致总发射率的增加。,绝缘材料氧化镁发射率随温度的增加而降低。,2018/7/29,162,4-2-3 表面温度的影响：低温工程,在深冷低温工程中，缺乏辐射特性的实验数据。尤其缺乏长波下在此温度下的发射特性。 右图为一些理论预测和实验结果对比，铜金银的发射率实验值并未减小到理论预测的这样小。,2018/7/29,163,4-2-4 表面粗糙度的影响,表面粗糙和表面杂质或涂层，是造成与电磁理论计算结果偏离的主要原因。 光学粗糙度定义：o/，特征粗糙度，均方根rms值。 光学上光滑表面： o/1 光学上奇异表面： o/1,2018/7/29,164,波长与粗糙度的比较,2018/7/29,165,4-2-4 表面粗糙度影响的理论计算,应用分析方程计算辐射性质的一个主要障碍是如何精确定义表面的特性，目前还没有一种普遍承认的、能准确描述表面特性的方法。,2018/7/29,166,4-2-4光学上光滑表面：发射率,对光滑表面，由(a)图看到，粗糙度变化2到16时，发射率变化了一个很小的值。,2018/7/29,167,4-2-4光学上光滑表面：粗糙度对方向特性,与法线成10度入射，镍表面，纵坐标为测量发射率与磨光表面的反射率之比值。反映的是粗糙度对方向特性的影响，而不是对反射率的影响。,2018/7/29,168,4-2-5 表面杂质的影响,杂质指任何污染。最普遍的是外来材料的沉积薄层。 金属表面的污染常使发射率提高。 表面覆盖层的结构对基体的辐射行为有很大影响。,2018/7/29,169,4-2-5 表面杂质的影响：氧化,氧化使金属表面使发射率提高。,2018/7/29,170,4-2-5 表面杂质的影响：氧化,氧化使钛金属的发射率比纯净材料的几乎提高了一倍。0.06 微 米 氧 化 层 厚,2018/7/29,171,4-2-5 表面杂质的影响：不锈钢氧化,2018/7/29,172,4-2-5 表面杂质的影响： 铜氧化厚度,2018/7/29,173,4-2-5 表面杂质的影响： 铜氧化随光谱,2018/7/29,174,4-2-5 表面杂质的影响：铝氧化,2018/7/29,175,4-2-5 表面覆盖层的影响,影响很大，图为涂有硫化铝的铝的半球光谱发射率，长波段内，涂层有无两者差一倍。,2018/7/29,176,4-2-6 熔融金属,总发射率与温度的关系不大。,2018/7/29,177,熔融金属发射率表,2018/7/29,178,4-3 非金属材料的辐射特性,在中等温度下有较高的发射率和吸收率。方向发射率随与表面法线所成的角度的增加而减少，与波长的相关性较小。非金属的辐射特性与温度的相关性 也不大。,2018/7/29,179,4-3 非金属材料的辐射特性,2018/7/29,180,4-3 非金属材料的辐射特性,非金属材料的辐射特性测量数据较少。在中等温度下有较高的发射率和吸收率。 非金属发射特性的影响因素: (1)波长: 总体上看变化不大 (2)表面温度:总体上看变化不大 (3)表面粗糙度: 非镜面发射 (4)表面杂质 (5)光谱选择性表面: 太阳能 (6)表面方向特性的改变: 特殊用途,2018/7/29,181,涂层厚度要足够,测量涂层材料的发射率，必须使涂层具有足够的厚度，使从基片发射的能量不穿透涂层。,2018/7/29,182,4-3-1 非金属材料光谱测量,钢表面3种油漆涂层的半球法向光谱反射率。1减去反射率等于法向光谱发射率。 白油漆在短波下有高的反射率，黑油漆在整个波段反射率较低，铝化油漆由于有更多的金属涂层，所以反射率较高，并且这种铝化油漆与波长关系不大，可以看作“灰”表面。,2018/7/29,183,4-3-1 非金属材料光谱测量,有些非金属材料，在可见光的短波段，反射率可能显著降低。 这一特点在研究特殊的非金属涂层对来自高温源的反射辐射的适应性时是很重要的，因为高温时能量处在短波段。,2018/7/29,184,4-3-1 绝缘材料反射光谱特性,在可见光段，某些材料的低反射率对吸收很重要。如太阳能。,2018/7/29,185,4-3-2 非金属总辐射特性随温度变化,随温度增加，有增高、有降低。 氧化镁耐火材料的发射率随温度的升高而明显降低。 石墨上的碳化硅涂层发射率随温度的增加而升高，部分原因可能是因为基体石墨的发射率随温度增加而升高。,2018/7/29,186,4-3-2 非金属总辐射特性随温度变化,氧化铝和氧化锆材料的发射率随温度的升高而明显降低。,2018/7/29,187,4-3-2 非金属总辐射特性随温度变化,白纸和白大理石，对低温下的黑体辐射源来说，是一个好的吸收体，但对于数千温度下黑体发射的光谱来说却是一个差的吸收体，即对太阳光能量是一个好的反射体。 沥青路面和灰石板可以很好地吸收太阳能。,2018/7/29,188,4-3-3 表面粗糙度影响,Snell定律，但一般而言，粗糙度使反射强度分布在镜反射方向附近的一个相当大的角度范围内，所以下图打字纸的表面光度并不是理想的。,2018/7/29,189,4-3-3 表面粗糙度影响： 非镜反射的3D说明,一般而言，绝缘材料的发射率随粗糙度增加稍有增加。,2018/7/29,190,4-3-3 表面粗糙度影响,右图，有非镜反射的最大值。,2018/7/29,191,4-3-3 表面粗糙度影响,图中月球表面强烈的反向散射，造成了月球的中心和边缘的亮度相同，同时造成了在十五满月时亮度达到最大。,2018/7/29,192,4-3-4 半导体和超导体的性质,硅半导体的法向光谱发射率，类似于磨光金属：发射率随波长的减小而增加，在较短波长出现一个最大值。但总体上比金属向长波方向移动了，比如图中最大值出现在红外区。,2018/7/29,193,4-4 光谱选择表面,工程意义重大： 如太阳能收集器。希望表面上维持最大可能的平衡温度，表面收集能量的能力最大，损失最小。 太空中的散热表面，希望保持该表面的冷态。则要求对太阳的反射最大，同时表面辐射发射也最大。,2018/7/29,194,4-4-1 表面光谱特性的变更： 光谱选择表面,出现吸收率急剧下降的波长称为截止波长。,光谱选择性表面：在太阳能峰值附近的短波光谱区有很大的吸收率，但在出现自身发射峰值的长波光谱区吸收率很小（即发射率很小）。这样它的吸收就可能接近于黑体而发射的能量却很小。,2018/7/29,195,4-4-1 表面光谱特性的变更： 光谱选择表面,制造方法之一：金属基片上涂覆非金属薄层。薄层对于长波辐射基本上是透明的，光谱吸收率和发射率都很低。但是，对于短波，薄层辐射性质接近于非金属涂层，光谱吸收率和发射率都很高。 一个理想的太阳能收集器的光谱选择性表面应该是：吸收最大的太阳能而发射的能量最小。即在整个短波内吸收率为1，在长波区吸收率立即降低为0。,2018/7/29,196,4-4-1 光谱选择表面，理想表面例1,例：一理想的选择性表面受到相应于平均太阳常数为qi=1353w/m2的法向入射辐射通量的照射。向该表面传热或从该表面传出热量的唯一手段是辐射。试决定相应于截止波长c=1m的最大平衡温度Teq（从太阳到达的能量可以假设为光谱分布与5780K的黑体的光谱分布成比例）。,2018/7/29,197,4-4-1光谱选择表面，例1,2018/7/29,198,4-4-1光谱选择表面，例1,解： 因为辐射传热是唯一的能量传递手段，所以吸收的辐射能必定等于发射的辐射能。因为表面为理想的选择吸收体，所以其半球发射率和吸收率为 ()=()=1 0=c ()=()=0 c=无穷大,2018/7/29,199,4-4-1光谱选择表面，例1,每单位时间表面所吸收的能量为 Qa=F0-c(Ti)qiA 每单位时间表面所发射的能量为 Qe=F0-c(Teq)Teq4A 两者相等，得 Teq4 F0-c(Teq)= F0-c(Ti)qi/ ,2018/7/29,200,4-4-1光谱选择表面，例1,编程迭代求解上式，得下面结果：,2018/7/29,201,理想光谱选择表面平衡温度与截止波长关系：最新,2018/7/29,202,SiC法向光谱反射率随波长变化图,材料法向光谱反射率随波长变化图,2018/7/29,203,4-4-2 穿过玻璃的选择性透射,石英玻璃的光谱透射率。 选择性：在两个稳定的截止波长范围内透射率很高，一旦超出，则普通玻璃变成了高吸收体，透射率迅速降到零，同时也是好的发射体了。,2018/7/29,204,4-4-2 穿过玻璃和水的选择性透射,不同厚度的碱石灰玻璃的光谱透射率。 它比石英玻璃有更大的吸收能力，随着厚度的增加，吸收作用相当大。 在高温设备中，如炉子和凹型太阳能收集器，通过玻璃窗的发射是很可观的。,2018/7/29,205,4-4-2 不同厚度窗玻璃的发射率,2018/7/29,206,4-4-2 三氧化二铟太阳能集热器,2018/7/29,207,4-4-2 穿过水的选择性吸收,水在可见光区域，吸收系数很小。在1微米附件，吸收系数开始增加。在近红外的长波区，吸收系数变得很大。 在可见光区，在兰-绿光的区域内（0.5-0.55微米）吸收系数特别小。这解释了阳光在水下穿透深度很大时会呈现绿色的原因。,2018/7/29,208,4-5 表面方向特性的改变,表面粗糙度对辐射特性影响深远，利用之。 表面作发射体：表面粗糙化设计，使在选定的方向加强发射，不需要的方向减少发射，提高设备效率。 表面作吸收体：给定方向强烈吸收，其它方向接近非吸收体。,2018/7/29,209,4-5 表面方向特性的改变,槽道表面的方向发射率,2018/7/29,210,4-5 表面方向特性的改变,V槽道表面的双向反射率,2018/7/29,211,第五章 漫射表面的角系数,传递均匀漫射辐射的表面,2018/7/29,212,本章内容,内容包括： 定义 4种形式 （微元-微元，微元-有限表面，有限表面-微元，有限表面-有限表面） 计算角系数的方法 角系数的代数性质,2018/7/29,213,定义,微元dA1-微元dA2的辐射能量交换图把离开漫射表面微元dA1的半球能量中到达微元dA2的份额定义为角系数，dFdA1-dA2 Or 简记为：dA2截获的能量份额,2018/7/29,214,定义式,漫射表面假定：,2018/7/29,215,角系数的互换性关系,2018/7/29,216,其他类型的角系数,其他角系数及其同样的互换性 微元-微元表面 微元-有限表面 有限表面-微元 有限表面-有限表面,2018/7/29,217,角系数的代数性质,互换性, A1F1-2=A2F2-1 完整性， 如两个面彼此看不见，则其相互的角系数必为0。凸面或平面对自身的角系数为0 可加性，,2018/7/29,218,角系数的代数性质,等值性 表面1与2组成一封闭腔系统，如图所示。做任意面2或2或等，使这些面对表面1来说，都能覆盖住表面2。如没有表面2的话，表面1原投射到表面2的能量，就会全部投射到表面2或2或等面上。由角系数的定义知F1-2=F1-2=F1-2= 此性质称为角系数的等值性。,2018/7/29,219,角系数的代数性质,等同性 表面1与2，如果表面1上任一微元面对表面2的角系数dFd1-2到处相同，则dFd1-2=F1-2 此性质称为角系数的等同性。证明如下,2018/7/29,220,计算角系数的方法,多种方法 代数分析法 积分法 微分法 环路积分法，多重积分化为低一维的积分 图解法，光模拟法 数值方法：FEA，Monte Carol， discrete， etc.,2018/7/29,221,求角系数的积分法例题,求母线互相平行的两无限长微元条间的角系数，如图所示。在两个不等温的无限长平行平板、平行圆管（或异型管），或一平板与一管间的辐射换热中均要用到这种角系数。,2018/7/29,222,求角系数的积分法例题,2018/7/29,223,求角系数的积分法例题,解：在两微元条上各取一个微元面dA1和dA2，由定义有,由几何关系有：,2018/7/29,224,求角系数的积分法例题,将以上诸式代入定义式，有,2018/7/29,225,求角系数的积分法例题,因为dA1在微元条s1上的位置是任意的，根据角系数的等同性性质，可得,2018/7/29,226,求角系数的微分法例题,已知一半径为 r的圆形管道，如下图，其表面温度沿轴向是不均匀的。dA2为管道横截面A3和A4，在圆柱面上割出的微元表面。已知A1对A3的角系数为求A1对dA2的角系数,2018/7/29,227,求角系数的微分法例题,2018/7/29,228,求角系数的微分法例题,所以,解1：,2018/7/29,229,求角系数的微分法例题,所以,解2：设在A1和A3之间的圆柱面为A5，则,2018/7/29,230,第六章 固体表面间的辐射传热计算,黑体和灰体封闭腔 （真空：不考虑介质的参与）,2018/7/29,231,辐射传热（特定光谱计算）,表面间辐射传热： 无介质参加：真空或忽略介质 黑体表面，漫射灰表面，具有光谱相关的漫射表面，具有方向相关的灰表面，具有方向及波长相关的表面 有介质参加： 漫射灰介质，吸收-发射介质，吸收-发射-散射介质，非漫射介质 无限远表面,2018/7/29,232,6.1 历史概论,19世纪末，人们开始研究辐射传热，那时就是从固体表面辐射传热开始的。以后断断续续出现了不少方法，到20世纪60年代已相当成熟。再以后就偏重于研究具有发射、吸收、散射介质的辐射传热计算，一直到现在还有很多研究成果发表。表面辐射传热计算是介质辐射计算方法的一个特例，只要假设中间介质是透明的或光学无限薄。,2018/7/29,233,黑体（漫射灰）表面计算,限制条件 漫灰体、辐射均匀。方向光谱发射率和吸收率不依赖于方向和波长，仅与温度有关，半球总吸收率和半球总发射率相等 表面划分 平、凹、凸面，原则：划分出的面上的有关量在计算中是常量 假想面 使呈封闭体系 重辐射面 该面的净换热量为0，如炉内的内墙，有时可简化处理,2018/7/29,234,6-2 黑体表面的辐射传热,黑体表面之间的辐射传热,2018/7/29,235,6-2 黑体表面的辐射传热,黑体封闭腔内的辐射传热 已知外界加入的热流，求腔内的温度分布 已知腔内的温度分布，求外界加入的热量 示意图见下：,2018/7/29,236,角系数互换性,角系数守恒性,黑体封闭腔控制方程 净辐射法（净能量法、净热流法）,能量守恒,2018/7/29,237,N个方程，N个未知数,可解,黑体封闭腔控制方程求解,2018/7/29,238,6-3 漫射-灰表面封闭腔的辐射,净辐射法（净能量法、净热流法） 单位时间单位面积离开第k个表面的热流 单位时间单位面积入射第k个表面的热流 单位时间单位面积为保持该表面温度不变，外界通过导热等方式传入（出）第k个表面的热流,2018/7/29,239,k表面，,漫射-灰表面封闭腔各物理量,2018/7/29,240,k表面，,3N个方程，可求3N个未知数,qk和Tk共N个未知数，取决于BC,漫射-灰表面封闭腔控制方程,qo常称为有效辐射,该式推导见下页,2018/7/29,241,漫射-灰表面封闭腔控制方程,由角系数互换性有,所以代入,2018/7/29,242,漫射-灰表面封闭腔单元表面的有效辐射,消去qi,k，得,qo，k第k表面的有效辐射,2018/7/29,243,例6-8 如下图所示的两个温度均匀的同心漫射灰球。试推导它们之间的净辐射交换的表达式,该两球各自具有均匀的温度。,2018/7/29,244,F1-2=1，F2-1=A1/A2，F2-2=1- A1/A2,由此解得，供给表面1而从表面2排走的热量（热流）为,例6-8,2018/7/29,245,Radiation between finite diffuse-grey areas.,2018/7/29,246,一些研究方向,微空间尺度的辐射传热 微时间尺度的辐射传热 表面具有方向光谱特性的辐射 有介质参与的封闭腔辐射传热 封闭腔的红外辐射特征 等,2018/7/29,247,第六章补充 固体表面间的辐射传热工程计算,2018/7/29,248,工程中表面辐射传热计算特点,电炉、烤箱、烘道、人工黑体、工业炉等的辐射传热，如不考虑气体辐射，都属于固体表面的辐射传热。前面的方法，工程上常引入一些“工程计算参数”，有的学者称之为“糊涂系数”，进行计算。 角系数、灰度、漫射,2018/7/29,249,研究过的专题,科学研究近代是有计划的，在工业技术发展的不同阶段，都针对不同的专题进行研究和解决，这样使计算逐步走向成熟，表面辐射传热研究过的专题有： 不考虑气体辐射的工业炉内的辐射传热 通道内的辐射传热特性 空腔内的辐射传热特性 肋片的热辐射 辐射节能技术 天空辐射能的应用 强化传热的辐射技术 等,2018/7/29,250,专题一、热辐射肋片,对流肋片：密集的短薄肋片，增加与流体的理想接触 热辐射肋片：不管有多少肋片，其表面辐射的有效面积相同，不同的是表观发射率的变化。,2018/7/29,251,专题二、工业炉辐射传热,2018/7/29,252,1、钢板在炉中的加热,钢板布满炉底，炉底绝热，炉墙是热辐射源，炉墙温度T2均匀，并且不随时间变化。钢板很薄，导热系数较大，板内外温度一致，都等于T1。见下图：,2018/7/29,253,利用能量守恒原理，有：,2018/7/29,254,2018/7/29,255,2 水冷壁角系数及其炉膛传热,苏联我国锅炉热力计算标准：,水冷壁角系数,2018/7/29,256,工业炉辐射传热参考文献,1 钱家麟，于尊宏，王兰田等，管式加热炉。北京：烃加工出版社，1987 2 秦裕琨主编，炉内传热（第二版）。北京：机械工业出版社，1992 3 A C 捷列金，戎宗义等译，冶金炉热工计算。北京：冶金工业出版社，1986,2018/7/29,257,习题6-1,一个灰等温体，表面积A1，温度T1，是一个凸形体。它被一个大得多的灰等温体完全封闭，面积A2。试问从A1到A2的净传递的辐射能量是多少？已知A1表面看不到它自己的任一部分，并且A1远离A2。,2018/7/29,258,习题6-2,两个同心圆球间有了一个遮热同心球，如图所示。已知半径R1、R2，表面温度T1、T2，发射率1、2、s，试推导1、2球间的传热传热量之比：,2018/7/29,259,习题6-3,一个长度为L的圆管，直径为D，两端开口，环境温度为0K，外