第11章补充3个专题

1、2022-5-913个专题v气体辐射气体辐射v粒子辐射粒子辐射v火焰辐射火焰辐射2022-5-92一、气体辐射一百年前，天文学家观察星球，研究大气辐一百年前，天文学家观察星球，研究大气辐射特性。气象学家也因为热影响气候，所射特性。气象学家也因为热影响气候，所以关心大气辐射。由此形成以关心大气辐射。由此形成“大气辐射大气辐射学学”。恒星大气物理学，通过观测太阳、星球的光恒星大气物理学，通过观测太阳、星球的光线，了解恒星大气的物理状态、过程和化线，了解恒星大气的物理状态、过程和化学组成等。气体辐射是其主要研究内容之学组成等。气体辐射是其主要研究内容之一。一。天体物理学。恒星大气物理学是其一个重要天

2、体物理学。恒星大气物理学是其一个重要分支。分支。这些研究一开始就采用光谱方法，到目前已这些研究一开始就采用光谱方法，到目前已形成较完整的实验、计算方法。形成较完整的实验、计算方法。2022-5-93传热界对气体辐射的研究，起于传热界对气体辐射的研究，起于20世纪世纪2030年代，源于对气体辐射在炉膛传热中年代，源于对气体辐射在炉膛传热中重要作用的认识。当时采用的是直接测量的重要作用的认识。当时采用的是直接测量的纯实验方法。纯实验方法。1942年霍太尔（年霍太尔（Hottel H C,美美国，国，1903-1998）整理了自己与他人的实验数）整理了自己与他人的实验数据，发表了二氧化碳、水蒸气发射

3、率的线算据，发表了二氧化碳、水蒸气发射率的线算图，也称为图，也称为Hottel线算图。这张图用得很广，线算图。这张图用得很广，相当多的工程气体辐射计算标准或传统方法，相当多的工程气体辐射计算标准或传统方法，都用或源于这张图，目前大多数的传热教材都用或源于这张图，目前大多数的传热教材中气体辐射部分也仅介绍此图。中气体辐射部分也仅介绍此图。2022-5-9420世纪世纪60年代，随着航空航天工业的崛起，年代，随着航空航天工业的崛起，随着几起重大的固体火箭发动机的重大事故，随着几起重大的固体火箭发动机的重大事故，需要计算如火箭尾焰的辐射等问题，要求进需要计算如火箭尾焰的辐射等问题，要求进行比较准确的

4、高温气体辐射特性计算，霍太行比较准确的高温气体辐射特性计算，霍太尔线算图的准确性就不够了。传热界开始引尔线算图的准确性就不够了。传热界开始引入以原子、分子辐射理论为基础的光谱方法，入以原子、分子辐射理论为基础的光谱方法，由于可借鉴大气辐射的研究方法，很快出现由于可借鉴大气辐射的研究方法，很快出现了多种有一定准确度、并适合工程应用的谱了多种有一定准确度、并适合工程应用的谱带模型方法。目前已大量用于介质辐射传热带模型方法。目前已大量用于介质辐射传热与气体辐射的数值计算中。与气体辐射的数值计算中。2022-5-95随着计算能力的提高，将来以光谱为基随着计算能力的提高，将来以光谱为基础的方法会广泛应用

5、，同时这也是辐射础的方法会广泛应用，同时这也是辐射传热成熟的重要标志之一。传热成熟的重要标志之一。2022-5-96气体辐射的微观理论简介气体辐射的光谱是气体辐射的光谱是不连续不连续的，由多个的，由多个分立的谱分立的谱带带组成，每个谱带依其特征波长（波数）命组成，每个谱带依其特征波长（波数）命名。在高分辨率下，每个谱带是由许多谱线名。在高分辨率下，每个谱带是由许多谱线组成。组成。对红外波段，其产生机理主要是气体分子的原对红外波段，其产生机理主要是气体分子的原子核外的电子（能子）旋转、振动对外界能子核外的电子（能子）旋转、振动对外界能量子的吸收、发射造成，所以文献中经常有量子的吸收、发射造成，所

6、以文献中经常有旋转带旋转带(光谱带光谱带)、振动带、振动、振动带、振动旋转带辐旋转带辐射的概念。射的概念。对核外电子（能子）的跃迁发射的光谱波长较对核外电子（能子）的跃迁发射的光谱波长较短，可见光。短，可见光。2022-5-97气体辐射的微观理论简介以能级跃迁为例以能级跃迁为例v谱线位置：谱线位置：1波数luEEch介质中电磁波波速, ch, Plancks constant2022-5-98谱线增宽v吸收光谱谱线增宽效应与谱吸收光谱谱线增宽效应与谱线形状线形状v 压力增宽，碰撞引起压力增宽，碰撞引起v 自然增宽，量子力学测不准关自然增宽，量子力学测不准关系引起系引起v Doppler增宽，多

7、普勒效应：向增宽，多普勒效应：向着观察着运动着观察着运动=正速度，波数增正速度，波数增加；波数减少加；波数减少=红移（远去，负红移（远去，负速度），说明宇宙在膨胀。速度），说明宇宙在膨胀。v单根谱线的吸收与辐射特性单根谱线的吸收与辐射特性2022-5-99光谱法光谱法分为两类：光谱法分为两类：v一类是采用高分辨率的光谱实验，得出一类是采用高分辨率的光谱实验，得出的方法称为逐线计算法的方法称为逐线计算法v一类采用低分辨率的光谱实验，得出的一类采用低分辨率的光谱实验，得出的方法称为谱带模型法方法称为谱带模型法2022-5-910低分辨率的谱带高分辨率的谱带2022-5-911逐线计算法如果已知各谱

8、线的中心波数、线型函数、半如果已知各谱线的中心波数、线型函数、半宽度、线强等谱线参数，就能计算出所有宽度、线强等谱线参数，就能计算出所有谱线的吸收系数。如仅要求气体在某一波谱线的吸收系数。如仅要求气体在某一波数数处的光谱吸收系数，只要将对处的光谱吸收系数，只要将对处有贡处有贡献的所有谱线，在献的所有谱线，在处的谱线光谱吸收系处的谱线光谱吸收系数叠加就得。这就是逐线计算法的原理。数叠加就得。这就是逐线计算法的原理。此计算的关键是所有谱线参数的支撑。此计算的关键是所有谱线参数的支撑。v美国美国LOWTRAN,HITRAN和法国和法国GEISA数据数据库库v美国美国Ontar公司公司2000年年HI

9、TEMP光盘光盘2022-5-912谱带模型法这类试验测不出谱线的辐射强度，这类试验测不出谱线的辐射强度，只能测出只能测出谱带或某一波长范围内的辐射强度谱带或某一波长范围内的辐射强度。从而。从而建立起此波数范围内总辐射强度或发射率建立起此波数范围内总辐射强度或发射率与谱线参数、谱线分布参数等的拟合值。与谱线参数、谱线分布参数等的拟合值。所以只能计算气体谱带或全波长的辐射特所以只能计算气体谱带或全波长的辐射特性。性。v窄谱带模型法，按谱线类型、谱线分布和谱线窄谱带模型法，按谱线类型、谱线分布和谱线强度的假设变化规律的不同，可分为多种窄谱强度的假设变化规律的不同，可分为多种窄谱带模型。带模型。v宽

10、谱带模型法，指数宽谱带模型。宽谱带模型法，指数宽谱带模型。2022-5-913工程中二氧化碳、水蒸气辐射特性的计算光谱法得出的结果比较复杂，一般工光谱法得出的结果比较复杂，一般工程计算中多用由实验得出的程计算中多用由实验得出的Hottel发发射率线算图，或将光谱法得出的结果射率线算图，或将光谱法得出的结果简化为比较简单的式子。简化为比较简单的式子。介质的辐射特性有两种表示方法：一介质的辐射特性有两种表示方法：一种是用吸收系数（工程中常忽略散种是用吸收系数（工程中常忽略散射），另一种用发射率表示。表示的射），另一种用发射率表示。表示的形式有：图、公式、数据库等。形式有：图、公式、数据库等。202

11、2-5-914参考文献：参考文献：vTien C L. Thermal radiation properties of gas. In: Trrine Jr T F eds. Advances in heat transfer, Vol 5. New Yo r k : A c a d e m i c P re s s 1 9 6 8vEdwards D K. Molecular gas band radiation. In: In: Trrine Jr T F eds. Advances in heat transfer, Vol 12. New Yo r k : A c a d e m i

12、c P re s s 1 9 7 62022-5-915二、粒子辐射在自然界与工业生产中，在自然界与工业生产中，50%以上的产品或以上的产品或中间体呈颗粒状。分析各种电磁波在其中中间体呈颗粒状。分析各种电磁波在其中的传递，研究其辐射性质，用光学手段来的传递，研究其辐射性质，用光学手段来测量其几何性质等，都需要知道颗粒的辐测量其几何性质等，都需要知道颗粒的辐射特性。射特性。传热界注意到粒子辐射，是从烟气开始的。传热界注意到粒子辐射，是从烟气开始的。在化石燃料燃烧形成的烟气中，气体辐射在化石燃料燃烧形成的烟气中，气体辐射并不占主要地位，占主要地位的是碳黑粒并不占主要地位，占主要地位的是碳黑粒子（子

13、（0.010.5m)与灰粒与灰粒(1020 m)的辐射。的辐射。1940S，炉内辐射研究人员用实验方法求，炉内辐射研究人员用实验方法求粒子的辐射特性粒子的辐射特性吸收系数。吸收系数。2022-5-9161871年瑞利年瑞利(英国人，英国人，Lord Rayleigh, 1842-1919)提出了小电介质球理论提出了小电介质球理论-瑞利散射理瑞利散射理论。小粒子。论。小粒子。1908年米氏年米氏(德国人，德国人，Gustav Mie,1868-1957)通过解通过解Maxwell 方程，得到各向同性均匀方程，得到各向同性均匀球的散射解，后被称为球的散射解，后被称为 Mie theory(米氏理米

14、氏理论论)，使粒子散射理论达到一个新阶段。，使粒子散射理论达到一个新阶段。几何光学，大粒子。几何光学，大粒子。这些理论到这些理论到1960S后移植到辐射传热中来。后移植到辐射传热中来。 2022-5-917目前粒子热辐射理论，除用于炉内粒子辐目前粒子热辐射理论，除用于炉内粒子辐射外，还用于固体火箭燃烧产物中的氧化射外，还用于固体火箭燃烧产物中的氧化金属颗粒，流化床中的物粒，微粒绝热材金属颗粒，流化床中的物粒，微粒绝热材料，衣料及保温纤维，隐身材料中的含微料，衣料及保温纤维，隐身材料中的含微涂层等的红外辐射与传热计算中。涂层等的红外辐射与传热计算中。2022-5-918粒子热辐射的特点与类别粒子

15、热辐射的特点与类别工程中遇到的微粒主要是固体和液体，它的辐射特性与大块固(液)表面的辐射不同，主要区别有三点：1、粒子对入射辐射除吸收外，还有散射。我们这儿、粒子对入射辐射除吸收外，还有散射。我们这儿的粒子的散射过程包括反射、衍射、透射等全过的粒子的散射过程包括反射、衍射、透射等全过程。程。衍射是指电磁波遇到障碍物，绕过它，再传播，而衍射是指电磁波遇到障碍物，绕过它，再传播，而引起辐射强度重新分布的现象。引起辐射强度重新分布的现象。 2022-5-919如上图中，入射光线经过反射、折射、透射、衍如上图中，入射光线经过反射、折射、透射、衍射后，离开粒子的射线都改变了入射的方向，所射后，离开粒子的

16、射线都改变了入射的方向，所以都称为粒子散射。显然这过程与材料的辐射特以都称为粒子散射。显然这过程与材料的辐射特性，与粒子的几何形状和几何尺寸有关。性，与粒子的几何形状和几何尺寸有关。1散射2022-5-920粒子大小可用尺度参数粒子大小可用尺度参数表示。表示。=D/，D为为粒粒子直径。现有理论都认为粒子为球体。子直径。现有理论都认为粒子为球体。1，大粒子，可用几何光学及衍射理论描述。大粒子，可用几何光学及衍射理论描述。=1，粒子的电磁场与通过的电磁波相互干扰粒子的电磁场与通过的电磁波相互干扰不能忽略，要用不能忽略，要用Mie理论来计算，这种理论来计算，这种粒子常称为米氏粒子。粒子常称为米氏粒子

17、。 1，小粒子，如气体分子。可用简化的电磁小粒子，如气体分子。可用简化的电磁理论理论-瑞利电磁理论计算。此时的散射通瑞利电磁理论计算。此时的散射通常称为瑞利散射。常称为瑞利散射。2光和粒子的相互作用2022-5-9212光和粒子的相互作用(1) 当粒子直径远小于入射波长，将形成瑞当粒子直径远小于入射波长，将形成瑞利散射，此时，向前半球和向后半球散利散射，此时，向前半球和向后半球散射的能量相同。射的能量相同。(2) 当粒子直径大于入射波长当粒子直径大于入射波长1/10，将适用，将适用Mie散射，尽管散射，尽管Mie理论适用于球形粒子，理论适用于球形粒子，通常也可以用于形状非规则的粒子。通常也可以

18、用于形状非规则的粒子。(3) 当粒子直径远大于入射波长时，须用几当粒子直径远大于入射波长时，须用几何光学分析。何光学分析。2022-5-9223、微粒的单位体积拥有的表面积，要比大、微粒的单位体积拥有的表面积，要比大块体的大许多，这会收起界面处微结构块体的大许多，这会收起界面处微结构的变化，所以微粒材料的辐射物性的变化，所以微粒材料的辐射物性复折射率复折射率(也称光学常数也称光学常数)，要专门测量，要专门测量，不能用大块材料的不能用大块材料的n来代替。来代替。 3复折射率复折射率2022-5-923工程中粒子不是单个，而是粒子群或粒子工程中粒子不是单个，而是粒子群或粒子系。粒子群要考虑粒子间的相互作用。系。粒子群要考虑粒子间的相互作用。稀稀的粒子群，每个粒子是独立散射。稀稀的粒子群，每个粒子是独立散射。非稀疏的粒子群，非独立散射。非稀疏的粒子群，非独立散射。粒子群粒子群2022-5-