第20讲辐射换热

1、前面所了解的导热和对流换热特征：前面所了解的导热和对流换热特征：有物质介入（热量传递的介质）有物质介入（热量传递的介质）第九章第九章 热辐射原理热辐射原理 Fundamentals of Thermal Radiation介质处于静止（导热）或运动（对流换热）介质处于静止（导热）或运动（对流换热）热量传递的方向是温度降低的方向热量传递的方向是温度降低的方向导热依据导热定律，对流换热依据牛顿公式导热依据导热定律，对流换热依据牛顿公式辐射表面各处辐射能向所在点辐射表面各处辐射能向所在点（微元面）的半球方向传递（微元面）的半球方向传递热辐射不同点：热辐射不同点：空间传递的能量不是热能，而是电空间传递

2、的能量不是热能，而是电磁波（磁波（Electromagnetic Waves ）电磁波传递不需要中间介质电磁波传递不需要中间介质电磁波由辐射体内热能转化而来电磁波由辐射体内热能转化而来若被其它表面吸收，会重新转化为热能，或可能转化为若被其它表面吸收，会重新转化为热能，或可能转化为机械能（如太阳能电池）机械能（如太阳能电池）描述热辐射的规律，有多个定量公式（定律）描述热辐射的规律，有多个定量公式（定律）Electromagnetic Waves or Electromagnetic Radiation:represent the energy emitted by matter as a res

3、ult of the changes in the electronic configurations of the atoms or molecules.THERMAL RADIATIONDifferent types of electromagnetic radiation are produced through various mechanisms.The type of electromagnetic radiation that is pertinent to heat transfer is the thermalradiation emitted as a result of

4、energy transitions of molecules, atoms, and electrons of a substance.关于离开物体表面辐射量的平均概念：关于离开物体表面辐射量的平均概念：辐射力：辐射力：1、Basic concepts:4TEb4TEbBlack BodyReal Body吸收率、反射率和透射率：吸收率、反射率和透射率：GQGQGQ表面辐射（无透射）：表面辐射（无透射）：01容积辐射：容积辐射：1辐射力对应热流密度！辐射力对应热流密度！基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：有效辐射：有效辐射：GEJ投射辐射：投射辐射：G2. More situations we sh

5、ould take in considerationA. directionB. wavelength 上述因素均对辐射和吸收有重要影响。上述因素均对辐射和吸收有重要影响。Blackbody radiation function：Plancks law投射辐射和有效辐射投射辐射和有效辐射同样对应热流密度！同样对应热流密度！Wiens displacement lawtotal blackbodyemissive power Eb选择：选择：025410, 1)/exp()(TCTdCETEbbbblackbody radiation function)(0TffTEXAMPLE 1 Emiss

6、ion of Radiation from a LightbulbThe temperature of the filament of an incandescent lightbulb is 2500 K. Assuming the filament to be a blackbody, determine the fraction of the radiant energy emitted by the filament that falls in the visible range. Also, determine the wavelength at which the emission

7、 of radiation from the filament peaks.SOLUTION The temperature of the filament of an incandescent lightbulb is given. The fraction of visible radiation emitted by the filament and the wavelength at which the emission peaks are to be determined.Assumptions The filament behaves as a blackbody.Analysis

8、 The visible range of the electromagnetic spectrum extends fromm 4 . 01m 77. 02T 2500 KKm 100025004 . 01TKm 1900250076. 02T0.0003214 . 00f0.05303576. 00f0.05271350.000321053035. 076. 04 . 0fTherefore, only about 5 percent of the radiation emitted by the filament of the lightbulb falls in the visible

9、 range.From Wiens displacement law:m 16. 1K 2500Km 8 .2897maxpowerDiscussion:The efficiency is quite low!RADIATION INTENSITY 要点：辐射能在空间的方向性，区域大小要点：辐射能在空间的方向性，区域大小简单的辐射力不能表达简单的辐射力不能表达区域：立体角区域：立体角2rdSd 202/02sindddhddrdSsin2辐射强度辐射强度dddAdqIcos),(思考和讨论：思考和讨论：如果将在半球空间上和所如果将在半球空间上和所有波长下的辐射强度加起有波长下的辐射强度加起来，

10、等于什么？来，等于什么？按辐射强度定义反过来看：按辐射强度定义反过来看：dAddAIdAdqcos),(显然他是辐射力显然他是辐射力具体的：具体的： 0202/0sincosdddIE漫射体定义：漫射体定义：辐射强度不随方向改变的发射表面。辐射强度不随方向改变的发射表面。灰体定义：灰体定义：辐射强度不随波长改变的发射表面。辐射强度不随波长改变的发射表面。)(IE eIE黑体黑体4TIbb投射辐射强度投射辐射强度定义定义dddGIisincos),(这是一个拦截量这是一个拦截量显然显然ddIGisincos)(202/0, 若发射投射的物体是漫射灰体表面若发射投射的物体是漫射灰体表面同样可有同样

11、可有iIG 有效辐射：有效辐射：dddAdqJcos),(此处的此处的dq需要考虑物体表面的本身辐射和反射辐射两部分需要考虑物体表面的本身辐射和反射辐射两部分ddIJresincos),(202/0 对漫灰体对漫灰体reIJEXAMPLE2 Radiation Incident on a Small SurfaceA small surface of area A1 3 cm2 emits radiation as a blackbody at T1 600K. Part of the radiation emitted by A1 strikes another small surface

12、of area A2 5 cm2 oriented as shown in Figure below. Determine the solid angle subtendedby A2 when viewed from A1, and the rate at which radiation emitted by A1 that strikes A2.SOLUTIONsr 1018. 6107540cos105cos 44222212rAsr W/m23396001067. 5248411TIb1211121cosAIQ W1074. 21081. 655cos1032339444习题：习题：1

13、2.1 12.3 12.51211121cosAIQ441081. 655cos1032339 W1074. 24这是从这是从1发射出的辐射能达到表面发射出的辐射能达到表面2上的能量！上的能量！ W2.20456001067. 510348441111TAEAb从从1发射出的总能量为：发射出的总能量为：因此，因此，1发射的能量中只有发射的能量中只有2.74104/2.20451000.012能够落到能够落到2表面上！表面上！考虑两个问题：考虑两个问题：1. 当当1表面不是黑体，是否可以用离开此表面表面不是黑体，是否可以用离开此表面总的辐射能能量来表示？总的辐射能能量来表示？2. 有多少比例的辐

14、射能会到达指定表面？有多少比例的辐射能会到达指定表面？概念概念角系数（角系数（The View Factor）：离开一个物体表面的辐射能到达指定的另一个物体表离开一个物体表面的辐射能到达指定的另一个物体表面上的能量比例称面上的能量比例称角系数角系数。（拦截量！）。（拦截量！）解决上述问题后，会对这两个表面之间的辐射换热分解决上述问题后，会对这两个表面之间的辐射换热分析和计算提供基础。析和计算提供基础。离开一个微小面积离开一个微小面积 dAi 的能量：的能量：iiidAJQd),(j 表面对表面对 i 表面构成的立体角为：表面构成的立体角为：2cosrdAdjjij因此在此立体角内由因此在此立体

15、角内由 i 到到 j 的辐射能：的辐射能：2,coscoscosrdAdAIdQdQdjjiireiiijijijijireijidAdArIQd2,coscos同样地：由同样地：由 j 离开的能量能够达到离开的能量能够达到 i 表面上的辐射能为：表面上的辐射能为：jijirejijdAdArIQd2,coscos各自的角系数：各自的角系数：jijirriijidAdAdArJIQdQdFji2,coscosijjirejjijdAdAdArJIQdQdFij2,coscos假设：两个物体表面都是漫灰表面假设：两个物体表面都是漫灰表面reIJjjidAdAdArFji2, coscosijid

16、AdAdArFij2, coscos在上述假设下：在上述假设下：微小面积微小面积dAi对有限大面积对有限大面积Aj的角系数为：的角系数为：jjiAjjiAdAdArF2, coscos有限大面积有限大面积Ai对有限大面积对有限大面积Aj的角系数为：的角系数为：ijjiA AjijiAAidAdArFA2, coscos或：或：ijjiA AjijiiAAdAdArAF2, coscos1同样可以得到：同样可以得到：微小面积微小面积dAj对有限大面积对有限大面积Ai的角系数为：的角系数为：iijAijiAdAdArF2, coscos有限大面积有限大面积Ai对有限大面积对有限大面积Aj的角系数为

17、：的角系数为：ijijA AjijijAAdAdArAF2, coscos1至于角系数的计算及有哪些特征先放一下，以后予以讨论，至于角系数的计算及有哪些特征先放一下，以后予以讨论，下面讨论辐射物体表面的一些特征。下面讨论辐射物体表面的一些特征。发射率（发射率（emissivity）：）：1.黑体的发射率黑体的发射率1与方向、波长、温度无关与方向、波长、温度无关2.实际物体表面的发射率：实际物体表面的发射率：全波长定向发射率：全波长定向发射率：单色半球发射率：单色半球发射率：全波长半球发射率：全波长半球发射率：当我们在工程上遇到的大多数漫当我们在工程上遇到的大多数漫射体辐射表面时，所采用的都是射

18、体辐射表面时，所采用的都是半球单色辐射率问题。处理方法：半球单色辐射率问题。处理方法：An example： 半球发射率半球发射率可用法向的发射率近似替代半球可用法向的发射率近似替代半球发射率。发射率。灰体表面发射率灰体表面发射率实际物体表面的发射率可以实际物体表面的发射率可以用平均值近似替代。用平均值近似替代。一些物体表面法向发射率随波长的变化：一些物体表面法向发射率随波长的变化：一些物体表面全波长发射率随温度的变化：一些物体表面全波长发射率随温度的变化：EXAMPLE 3 Emissivity of a Surface and Emissive PowerThe spectral emissivity function of an opaque surface at 800 K is approximated as：Determine the average emissiv