《辐射换热理论基础》ppt课件

1、6-1 热辐射的根本概念热辐射的根本概念1. 热辐射定义及特点热辐射定义及特点(1) 定义：由热运动产生的，以电磁波方式传送的能量；定义：由热运动产生的，以电磁波方式传送的能量；(2) 特点：特点：a 任何物体，只需温度高于任何物体，只需温度高于0 K，就会不停地向周，就会不停地向周围空间发出热辐射；围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c 伴随能量方伴随能量方式的转变；式的转变；d 具有剧烈的方向性；具有剧烈的方向性；e 辐射能与温度和波长辐射能与温度和波长均有关；均有关；f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次方。次方。2. 电磁波谱电磁波谱电磁辐射包含了多种方

2、式，如图电磁辐射包含了多种方式，如图6-16-1所示，而我们所感兴趣所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实践意义的热辐射区域普通为的，即工业上有实践意义的热辐射区域普通为0.1100m0.1100m。电磁波的传播速度：电磁波的传播速度： c = f c = f 式中：式中：f f 频率频率, , 波长，波长，mm电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱图6-1当热辐射投射到物体外表上时，普通当热辐射投射到物体外表上时，普通会发生三种景象，即吸收、反射和穿会发生三种景象，即吸收、反射和穿透，如图透，如图6.5-2所示。所示。11QQQQQQQQQQ3. 3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的

3、吸收、反射和穿透 图图6.26.2物体对热辐射物体对热辐射的吸收反射和穿透的吸收反射和穿透对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：对于黑体： 镜体或白体：镜体或白体：1111,01,0透明体：透明体：反射又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种图图6-3 镜反射镜反射图图6-4 漫反射漫反射1.1.黑体概念黑体概念黑体：是指能吸收投射到其面黑体：是指能吸收投射到其面上的一切热辐射能的物体，是上的一切热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。但却可以人工制造出近

4、似的人工黑体。工制造出近似的人工黑体。图图6-5 6-5 黑体模型黑体模型6-2 黑体辐射的根本定律黑体辐射的根本定律辐射力辐射力E E：单位时间内，物体的单位外表积向半球空间发射的一切波单位时间内，物体的单位外表积向半球空间发射的一切波长的能量总和。长的能量总和。 (W/m2) (W/m2)；光谱辐射力光谱辐射力EE：单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内( (包含某一给定波长包含某一给定波长) )，物体，物体的单位外表积向半球空间发射的能量。的单位外表积向半球空间发射的能量。 (W/m3) (W/m3)；2.2.热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法E、E关系关系:显然，显

5、然， E和和E之间具有如下关系：之间具有如下关系：dEE0黑体普通采用下标黑体普通采用下标b表示，如黑体的辐射力为表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为黑体的光谱辐射力为Eb3.黑体辐射的三个根本定律及相关性质黑体辐射的三个根本定律及相关性质 1)(512TcbecE式中，式中， 波长，波长，m m ； T T 黑体温度，黑体温度，K K ； c1 c1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.7423.74210-16 W10-16 W m2m2； c2 c2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.43881.438810-2 m10-2 m K K； (1)Planck(1)Planck定律定律

6、( (第一个定律第一个定律) )：图图6-66-6是根据上式描画的黑是根据上式描画的黑体光谱辐射力随波长和温体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。度的依变关系。mm与与T T 的关系由的关系由WienWien位移位移定律给出，定律给出，KmTm3108976. 2图图6-6 Planck 定律的图示定律的图示8 如不是黑体，那么不完全遵守这个定律，但其变如不是黑体，那么不完全遵守这个定律，但其变化方向是一样的，例如金属：化方向是一样的，例如金属： 当当T500CT500C时，没时，没有可见光，颜色不变；有可见光，颜色不变；T T 增大，其颜色分别为暗红、增大，其颜色分别为暗红、鲜红、桔黄和白色鲜

7、红、桔黄和白色( (色温景象色温景象) )。用于判别被加热物。用于判别被加热物体的温度。体的温度。(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律( (第二个定律第二个定律) )： 21dEEbb40)(51012TdecdEETcbb式中，式中，= 5.66= 5.6610-8 w/(m210-8 w/(m2 K4)K4)，是，是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。(3)(3)黑体辐射函数黑体辐射函数黑体在波长黑体在波长11和和22区段区段内所发射的辐射力，如图内所发射的辐射力，如图6-76-7所示：所示：图图6-7

8、 6-7 特定波长区段内的特定波长区段内的 黑体辐射力黑体辐射力定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度球面度)，如图，如图6-8和和6-9所示：所示：ddsindd2rAc(4)(4)立体角立体角用黑体辐射函数表示波段区间的辐射能用黑体辐射函数表示波段区间的辐射能: :)()(1112)0()0(00440)(1212212121TfTfFFdEdETdETdEdEFbbbbbbbb图图6-8 6-8 立体角定义图立体角定义图图图6-9 6-9 计算微元立体角的几何关系计算微元立体角的几何关系定义：单位时间内，物体在垂直发射

9、方向的单位面积上，定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图6-106-10。 dcosd),(d),(AL(5) (5) 定向辐射强度定向辐射强度L(L(, , ) )：图图6-10 6-10 定向辐射强度定向辐射强度 的定义图的定义图(6) Lambert 定律定律(黑体辐射的第黑体辐射的第 三个根本定律三个根本定律)cosdd),(dLA它阐明黑体的定向辐射随天顶角它阐明黑体的定向辐射随天顶角呈余弦规律变化，见图呈余弦规律变化，见图6-11，因此，因此， Lambert定律也称为余弦定律。定律也称

10、为余弦定律。图图6-11 Lambert6-11 Lambert定律图示定律图示LLEdcos2沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:E:阐明：阐明：黑体的定向辐射强度为其总辐射才干的黑体的定向辐射强度为其总辐射才干的1/倍。倍。 6-3 实践固体和液体的辐射特性实践固体和液体的辐射特性1 发射率发射率前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的才干最强，包括一切方向和一切波长；的才干最强，包括一切方向和一切波长；真实物体外表的发射才干低于同温度下的黑体；真实物体外表的发射才干低于同温度下的

11、黑体；因此，定义了发射率因此，定义了发射率 (也称为黑度也称为黑度) ：一样温度下，实：一样温度下，实践物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比践物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:4TEEEb上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实践上，真实上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实践上，真实外表的发射才干是随方向和光谱变化的。外表的发射才干是随方向和光谱变化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal)因此，我们需求定义方向光谱发射率，对于某一指定的方向因此，我们需求定义方向光谱发射率，对于某一指定的方向(, ) 和波长和

12、波长T, T, T, blackbody, emitted actual, , LL)()T,( T, T, T,0blackbody, 0emitted actual, TLLdLdLb对上面公式在一切波长范围内积分，可得到方向总发射率，对上面公式在一切波长范围内积分，可得到方向总发射率，即实践物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：即实践物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：bbLLLL)()()()( 对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力，光谱辐射力Eb和定向辐射强度和定向辐射强度L，分别引，分别引入了三个修正系数，即，发射率入了三个修正系数，即，发射率，光谱发

13、射率，光谱发射率( )和定向发射率和定向发射率( )，其表达式和物理意义如下其表达式和物理意义如下40)(TdEEEbb实践物体的辐射力与实践物体的辐射力与黑体辐射力之比黑体辐射力之比:实践物体的光谱辐射实践物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：力之比：bEE)(实践物体的定向辐射实践物体的定向辐射强度与黑体的定向辐强度与黑体的定向辐射强度之比：射强度之比：漫发射的概念：外表的定向发射率漫发射的概念：外表的定向发射率 () 与方向无关，即定与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上述规律的外表称为漫发射面，向辐射强度与方向无关，满足上述规律的外表称为漫发射面，这是对大多数

14、实践外表的一种很好的近似。这是对大多数实践外表的一种很好的近似。图图6-15 几种金属导体在不同方向上的定向发射率几种金属导体在不同方向上的定向发射率( )(t=150)图图6-16 几种非导电体资料在不同方向上的定向发射率几种非导电体资料在不同方向上的定向发射率( )(t=093.3)前面讲过，黑体、灰体、白体等都是前面讲过，黑体、灰体、白体等都是理想物体，而实践物体的辐射特性并理想物体，而实践物体的辐射特性并不完全与这些理想物体一样，比如，不完全与这些理想物体一样，比如，(1)(1)实践物体的辐射力与黑体和灰体实践物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图的辐射力的差别见图6-176-17

15、；(2) (2) 实践实践物体的辐射力并不完全与热力学温度物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；的四次方成正比；(3) (3) 实践物体的定实践物体的定向辐射强度也不严厉遵守向辐射强度也不严厉遵守LambertLambert定定律，等等。一切这些差别全部归于上律，等等。一切这些差别全部归于上面的系数，因此，他们普通需求实验面的系数，因此，他们普通需求实验来确定，方式也能够很复杂。在工程来确定，方式也能够很复杂。在工程上普通都将真实外表假设为漫发射面。上普通都将真实外表假设为漫发射面。图图6-17 实践物体、黑体实践物体、黑体和灰体的辐射能量光谱和灰体的辐射能量光谱本节中，还有几点需求

16、留意本节中，还有几点需求留意将不确定要素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很将不确定要素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很难实际确定，仅是一种权宜之计；难实际确定，仅是一种权宜之计；服从服从LambertLambert定律的外表称为漫射外表。虽然实践物体的定定律的外表称为漫射外表。虽然实践物体的定向发射率并不完全符合向发射率并不完全符合LambertLambert定律，但依然近似地以为定律，但依然近似地以为大多数工程资料服从大多数工程资料服从LambertLambert定律；定律；物体外表的发射率取决于物质种类、外表温度和外表情况。物体外表的发射率取决于物质种类、外表温度和外表情况。

17、这阐明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外这阐明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。界条件。6-4 6-4 实践固体的吸收比和基尔霍夫定律实践固体的吸收比和基尔霍夫定律 上一节简单引见了实践物体的发射情况，那么当外界的辐射投入到物体外表上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？本节将对其作出解答。Semi-transparent medium1. 1. 投入辐射：单位时间内投射到单位外表积上的总辐射能投入辐射：单位时间内投射到单位外表积上的总辐射能 2. 2. 选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实践选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实践 物体对投入

18、辐射的吸收才干也根据其波长的不同而变物体对投入辐射的吸收才干也根据其波长的不同而变 化，这叫选择性吸收化，这叫选择性吸收3. 3. 吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表表 示，即示，即)(投入辐射投入的能量吸收的能量首先引见几个概念：首先引见几个概念：(4) 光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化表达了实践物体的选择性吸收的特性。化表达了实践物体的选择性吸收的特性。能量投入的某一特定波长的能量吸收的

19、某一特定波长的),(1T图图6-19和和6-20分别给出了室温下几种资料的光谱吸收比同分别给出了室温下几种资料的光谱吸收比同波长的关系。波长的关系。图图6-19 金属导电体的光谱吸收比同波长的关系金属导电体的光谱吸收比同波长的关系图图6-19 6-19 非导电体资料的光谱吸收比同波长的关系非导电体资料的光谱吸收比同波长的关系灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不论投入辐射的分布如何，吸收比论投入辐射的分布如何，吸收比都是同一个常数。都是同一个常数。根据前面的定义可知，物体的吸收比除与本身外表性质及温根据前面的定义可知，物体的吸收比除

20、与本身外表性质及温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1 1、2 2分别代表所研讨的物体和产生投入辐射的物体，那么物体分别代表所研讨的物体和产生投入辐射的物体，那么物体1 1的吸收比为的吸收比为)21,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性质表面的性质，表面投入的总能量吸收的总能量TTfTETTETTbb假设投入辐射来自黑体，由于假设投入辐射来自黑体，由于 ，那么上式可变为，那么上式可变为1),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性

21、质表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb图图6-21 6-21 物体外表对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体外表对黑体辐射的吸收比与温度的关系 1859 1859年，年，Kirchhoff Kirchhoff 用热力学方法回答了这个问题，用热力学方法回答了这个问题，从而提出了从而提出了Kirchhoff Kirchhoff 定律。定律。bbEEEE 此即此即Kirchhoff 定律的表达式之一。该式阐明，在热力学平定律的表达式之一。该式阐明，在热力学平衡形状下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下衡形状下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下限制：限制：整个系统处于

22、热平衡形状；整个系统处于热平衡形状；如物体的吸收率和发射率与温度有关，那么二者只需处于同一如物体的吸收率和发射率与温度有关，那么二者只需处于同一温度下的值才干相等；温度下的值才干相等；投射辐射源必需是同温度下的黑体。投射辐射源必需是同温度下的黑体。为了将为了将Kirchhoff Kirchhoff 定律推向实践的工程运用，人们调查、定律推向实践的工程运用，人们调查、推导了多种适用条件，构成了该定律不同层次上的表达推导了多种适用条件，构成了该定律不同层次上的表达式，见表式，见表6-26-2。层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱，定向光谱，半球光谱，半球全波段，半球全波段，

23、半球无条件，无条件，为天顶角为天顶角漫射外表漫射外表与黑体处于热平衡或对漫灰外表与黑体处于热平衡或对漫灰外表),(),(TT),(),(TT)()(TT表表6-2 Kirchhoff 6-2 Kirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式注：注：漫射外表：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，漫射外表：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合即符合LambertLambert定律的物体外表；定律的物体外表；灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在方式上完全一样，只是减小了一个一样的比射与黑体在方式上完全一样

24、，只是减小了一个一样的比例。例。6-5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算 前面讲过，热辐射的发射和吸收均具有空间方向特性，因此，外表间的辐射换热与外表几何外形、大小和各外表的相对位置等几个要素均有关系，这种要素常用角系数来思索。1. 角系数的定义 在引见角系数概念前，要先复习两个概念投入辐射：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为G。下面引见角系数的概念及表达式。下面引见角系数的概念及表达式。(1) 角系数：有两个外表，编号为角系数：有两个外表，编号为1和和2，其间充溢透明介，其间充溢透明介质，那么外表质，那么外表1对外表对外表2的角系数的角系数X1,2是：外表是：外表1直

25、接投射直接投射到外表到外表2上的能量，占外表上的能量，占外表1辐射能量的百分比。即辐射能量的百分比。即(2)有效辐射：单位时间内分开单位有效辐射：单位时间内分开单位面积的总辐射。包括了本身的发面积的总辐射。包括了本身的发射辐射射辐射E和反射辐射和反射辐射G。G为为投射辐射。投射辐射。的有效辐射表面的投入辐射对表面表面1212, 1X同理，也可以定义外表同理，也可以定义外表2对外表对外表1的角系数。角系数的运用的角系数。角系数的运用是有一定限制条件的，即漫射面、等温、物性均匀是有一定限制条件的，即漫射面、等温、物性均匀(6-1)351111cos21ddALddAdA两个微元外表两个微元外表dA

26、1dA1和和dA2dA2，那么，那么2212cosdAdr 212121222111coscoscoscos21dAdArLrdAdALddAdA362121coscos12rdAXdAdA同理同理可见可见2212121coscos1221rdAdAXdAXdAdAdAdAdA假设外表假设外表dA1dA1是漫射外表满足是漫射外表满足LambertLamberts Laws Law 11LE2221coscos21rdAXdAdA外表外表dA1dA1发出的能量发出的能量111dAEddA221211coscos12121dArELddXdAdAdAdAdA37(3) (3) 微元面对面的角系数微

27、元面对面的角系数 由角系数的定义可知，微元面由角系数的定义可知，微元面dA1dA1对对面面A2A2的角系数为的角系数为22121,21, 222coscosdddAAXXdAr11,21 ,2AdddXX微元面微元面dA2dA2对面对面A1A1的角系数那的角系数那么为么为(6-3a)(6-3b)38外表对外表外表对外表 12122121212121coscosAAAAdAdAAAdAdArLd 1221121211111AAdAdAAAAAAddAEX 12212121coscos11AAdAdArA同理同理 1212212122coscos11AAAAdAdArAX二式比较二式比较12212

28、1AAAAXAXA 角系数的二个条件：漫射，角系数的二个条件：漫射，L L均匀分布均匀分布 黑体和灰体都满足黑体和灰体都满足 实践物体当灰体，这样处置误差不大实践物体当灰体，这样处置误差不大 此时，角系数只是几何量此时，角系数只是几何量2. 2. 角系数性质角系数性质根据角系数的定义和诸解析式，可导出角系数的代数性质。根据角系数的定义和诸解析式，可导出角系数的代数性质。(1) (1) 相对性相对性 由式由式(6-2a)(6-2a)和和(6-2b)(6-2b)可以看出可以看出1,222, 11ddddddXAXA22111,2coscosdrAXdd22121b11112, 1coscosddE

29、ddcosrAAALXbdd 由式(6-4a)和(6-4b)也可以看出1 ,222, 11XAXA 以上性质被称为角系数的相对性。1212121,221coscosd d1AAA AXAr 1212122,122coscosd d1AAA AXAr niinXXXXX1, 1, 13 , 12, 11 , 11上式称为角系数的完好性。假设外表上式称为角系数的完好性。假设外表1 1为非凹外表时，为非凹外表时，X1,1 = X1,1 = 0 0。图图6.5-3 角系数的完好性角系数的完好性(2) (2) 完好性完好性 对于由对于由n n个外表组成的封锁系统，据能量守恒可得个外表组成的封锁系统，据能

30、量守恒可得: :42niiXX12,12,1值得留意的是，图中的外表值得留意的是，图中的外表2 2对外表对外表1 1的角系数不存在上述的的角系数不存在上述的可加性。可加性。(3) (3) 可加性可加性 如下图，外表如下图，外表2 2可分为可分为a a和和b b两个面，当然也可以分两个面，当然也可以分 为为n n个面，那么角系数的可加性为个面，那么角系数的可加性为图图6.5-4 角系数的可加性角系数的可加性图图6.5-4 角系数的可加性角系数的可加性BABbAbbBAXXXXEAXEAXEA2, 12, 12, 12, 1112, 1112, 1112, 12, 12, 12,1,1,1222,12,12,122,1,1,122ABbAbABb