第23-24次课KT-辐射换热.ppt

1、第4篇 辐射换热,辐射换热,热辐射基本定律、非黑体热辐射、热辐射模型、角系数 辐射换热计算方法概述、漫灰表面间的辐射换热计算、非漫、非灰表面的辐射换热 气体辐射的基本概念和规律、气体与固体壁面的辐射换热的特点、传递方程,2020年7月8日,2,第一部分 热辐射理论基础,2020年7月8日,3,1-1热辐射物理基础及辐射能量的描述,1.热辐射物理基础,2020年7月8日,4,1-1热辐射物理基础及辐射能量的描述,辐射本质 17世纪末期就有了牛顿的微粒说及惠更斯的波动说。 微粒说认为：光是一种完全弹性的球形微粒的微粒流，粒子间不连续，直线传播。 波动说认为：光是在弹性媒质中传递的一种连续的弹性机械

2、波。 18世纪微粒说占统治地位。 19世纪发现了光的干涉、衍射和偏振等现象，这些现象是波动的特征，从而波动说占了上风。,2020年7月8日,5,1-1热辐射物理基础及辐射能量的描述,辐射本质 1865年麦克斯韦提出了电磁理论，于是产生了辐射的波动说定义物体以电磁波方式向外传递能量的过程称为辐射。 1900年普朗克提出了量子假设，1905年爱因斯坦提出量子理论，这就产生了辐射粒子说的新定义辐射是物体向外发射光子的能量传递过程。 爱因斯坦进一步指出，光子具有波粒二象性既有粒子性，又有波动性。,2020年7月8日,6,1-1热辐射物理基础及辐射能量的描述,辐射本质 目前尚不能用一种统一的理论来描述所

3、有的热辐射现象，其有关理论还在继续发展。 目前，在解释热辐射现象及工程应用中，有时用电磁理论，有时用量子理论，所以上述两个辐射定义目前都有实用意义。 一般情况下，当牵涉到辐射能的发射、吸收时要用量子理论来解释 对辐射能的传递过程一般用电磁理论来解释。,2020年7月8日,7,1-1热辐射物理基础及辐射能量的描述,2.辐射能量的描述,2020年7月8日,8,1-1热辐射物理基础及辐射能量的描述,2020年7月8日,9,1-2热辐射基本定律,1.黑体辐射的光谱性质-普朗克定律 真空中的普朗克定律： 介质中的普朗克定律： 1891年维恩公式、1900年瑞利和金斯公式,“紫外线的灾难”,2020年7月

4、8日,10,1-2热辐射基本定律,2.维恩位移定律 3.黑体辐射的辐射力-斯蒂芬-玻尔兹曼定律 b=5.6710-8 W/(m2K4) 4.黑体（漫射表面）定向辐射力按空间方向的分布-兰贝特余弦定律 5.物体辐射与吸收间的关系-基尔霍夫定律,2020年7月8日,11,1-3非黑体热辐射,1.辐射及吸收、反射特性的描述 实际物体的热辐射特性十分复杂，工程中经常应用发射率、吸收比、反射比等参数来描述其与黑体的热辐射性能的差异。 (1)发射率(全波长)发射率；定向发射率；单色发射率；单色定向发射率。 (2)吸收比：不仅取决于吸收体本身，也取决于辐射源，或辐射源决定的投射辐射的光谱分布与方问特性等。,

5、2020年7月8日,12,1-3非黑体热辐射,(3)反射比被表面反射的能量与投射到表面的能量之比定义为表面的反射比。 反射比不仅与光谱有关，而且与投射和反射方向有关。 需要描述反射能量的定向分布或按波长的分布。 双向单色反射比 单色定向半球反射比：描述某一方向投射的单色辐射能量，向半球空间反射的性质。 单色半球定向反射比：表示半球空间投射来的辐射能向某一方向反射的性质。,2020年7月8日,13,2.固、液表面的热辐射特性 (1)金属表面的辐射特性 金属表面对辐射的吸收是在表面很薄的一层中进行的，射线不能进入金属的内部。 (2)非金属表面的辐射特性 绝大多数非金属或介电体对热射线的吸收也是发生

6、在很薄的表面层中，只有玻璃、石英和透明塑料等物质除外。,2020年7月8日,14,1-3非黑体热辐射,金属表面,非金属表面,2020年7月8日,15,1-3非黑体热辐射,(3)选择性表面 A希望材料在整个波长范围有较高（或低）的吸收比和发射率。 B在短波区域具有较高的吸收比，而长波范围具有较低的吸收比选择性吸收表面。 C在短波区域有较低的吸收比和较高的反射比，长波区域具有较大的发射率选择性吸收表面。 D在短波区域具有较高的透射率，而长波范围具有较低的透射率选择性透过表面。,2020年7月8日,16,1-4热辐射模型,1.黑体黑体的概念用来描述实际物体对辐射能的吸收、发射本领的极限，作为参考的基

7、准。只有少量物质的表面可接近黑体，如炭黑、碳化砖等。 2、灰体工程应用中采用这一假设获得很好的结果，其误差在许可范围内，尤其是在红外辐射范围。 3、漫射体一般较为粗糙的实际物体表面可作为漫射表面处理。,2020年7月8日,17,1-5角系数,角系数是纯几何参数，也称为形状因子。 在辐射换热角系数计算中要求表面特性是均匀一致的，即具有均匀的温度、辐射性质、均匀的投射辐射，而且表面是漫辐射表面。 1、角系数的基本性质 相对性，完整性，分解性（等价性）,2020年7月8日,18,1-5角系数,2、角系数的计算方法 A直接积分法，即根据角系数的一般计算式直接进行积分运算。 B数值计算方法，即根据定义式

8、作数值积分。 C图解方法，借助于已有的各种角系数图线。 D代数方法，据角系数的基本性质，并借助图线，通过简单的代数运算确定所求的角系数。 E微分法。 F几何投影方法(单位球法) 。此方法主要用在测量角系数的仪器上。,2020年7月8日,19,第二部分 被透明介质隔开的物体表 面间的辐射换热,2020年7月8日,20,2-1辐射换热计算方法概述,1.分类 表面间的辐射交换包括黑表面、漫射灰表面、漫射非灰表面和具有镜反射分量的灰表面间的辐射换热问题。 表面又可以分为均匀温度、均匀热通量表面和非均匀温度、非均匀热通量表面。 对于前者，单纯辐射换热问题的数学模型一般是线性代数方程(组)。 对于后者，其

9、数学模型是积分方程(组)。,2020年7月8日,21,2-1辐射换热计算方法概述,2.计算方法解决的主要问题 建立物理模型，把各种物理、几何量联系起来。 把物理模型用完整的数学式表示出来，其中包括控制方程组及单值性条件。 选择求解方程组的数学方法。 其中最核心的原理是能置守平衡定律，不同物理模型、不同计算方法，它出现的形式不同，或代数方程、或微分方程、或积分方程。,2020年7月8日,22,2-1辐射换热计算方法概述,3.影响计算方法的因素 (1)辐射换热系统的辐射物性、几何特性和表面温度分布。 这些因素中物性的影响最大，表面是漫反射还是镜反射?还是部分漫反射部分镜反射?是灰体还是选择性物体？

10、 (2)计算任务 可分为两类：正问题、反问题。,2020年7月8日,23,2-1辐射换热计算方法概述,3.影响计算方法的因素 正问题 在已知控制方程，几何及物理条件的情况下，有三种任务： 在边界条件中给出表面温度分布，求换热量分布； 给出表面换热量分布，求温度分布； 给出部分表面换热量、温度，求其他表面的换热量、温度。,2020年7月8日,24,2-1辐射换热计算方法概述,3.影响计算方法的因素 反问题 已知正问题的结果，如表面温度分布或换热量分布，及几何条件、物理条件中任一种，通过控制方程求余下的一种。 用实验方法求辐射物性已知表面温度或热量分布通过控制方程，几何条件求物性。 通过遥感测量到

11、的目标红外信息，判断目标的几何形状，就是通过测量到的辐射强度，已知的目标物性，利用控制方程求目标的几何形状。,2020年7月8日,25,2-1辐射换热计算方法概述,3.影响计算方法的因素 (3)与建立物理模型的原理有关。 如：净热量法的物理模型中是考虑每个表面总的射入和射出的能量，采用投射辐射及有效辐射的概念。射线踪迹法是跟踪能量从射出到被表面吸收的全过程。这两种方法的物理模型不同，所以两种计算方法不同。 (4)与采用的数学方法有关。 如：近似计算中可用不同的数学近似方法：指数函数近似法、逐次选代法、变分法等。数值计算中可用有限无法、概率方法等。,2020年7月8日,26,2-1辐射换热计算方

12、法概述,4.研究方法 净热量法利用表面的投射辐射、有效辐射，建立表面的内部或外部能量平衡。得到各表面的净热量、角系数、温度和辐射物性间的相互关系。 网络法利用热电类比。 杰勃哈特法对净热量法进行了改进，适用于变工况的辐射换热计算。 射线踪迹法追踪表面发射的能束、分析观察能束的行为，直到其被吸收。,2020年7月8日,27,2-2漫灰有限表面间的辐射换热计算,1.假定 (1)各表面的温度是均匀的。 (2)各表面部是不透明的漫发射、漫反射的灰表面，即各表面的与方向及波长无关； (3)各表面的入射辐射及反射辐射是均匀的，也就是说每个表面的有效辐射和净辐射热流密度是均匀的； (4)表面间的介质完全透明

13、，不参与辐射换热过程。,2020年7月8日,28,2-2漫灰有限表面间的辐射换热计算,2.净热量法 情况A.由n个表面组成的封闭空腔，如果表面k=1，2，n的温度T已知，则先利用下列线性方程组确定有效辐射J和有效入射G，然后确定某表面的净辐射换热量Qk。,2020年7月8日,29,2-2漫灰有限表面间的辐射换热计算,2.净热量法情况A q-J-T关系式 q-J关系式 q-T关系式 J-T关系式 q-J关系式,2020年7月8日,30,2-2漫灰有限表面间的辐射换热计算,2.净热量法 情况B.对于由N个表面组成的封闭空腔，如果表面1、2，、m的温度T已知，表面m+1、m+2，N的热流密度q已知，

14、则问题的求解步骤有两种。 第一种是利用q-T关系式对N个表面列出N个方程，一步解出未知的T及q。 第二种是先解出每个表面的有效辐射J，然后再利用q-J-T关系式求出未知的T和q。,2020年7月8日,31,2-2漫灰有限表面间的辐射换热计算,3.网络法 首先，所有表面必须形成封闭空腔； 其次，绘出辐射网络热阻图，即每个表面是一个结点，其热势为Eb(对于漫-灰表面为有效辐射J)。每两个表面间连接一个相应的空间热阻。每个表面与接地间连接一个表面热阻。若某角系数为0，即空间热阻，则相应两个表面间可以断开，不连接空间热阻。若某表面绝热，则其为浮动热势，不与接地相连； 然后，根据辐射网络热阻图建立节点方

15、程组，并求解有效辐射。,2020年7月8日,32,2-2漫灰有限表面间的辐射换热计算,4.举例 一空心圆锥台如图所示，顶面3的温渡T31000K；底面1被加热，加热功率为1000W/m2；侧面2绝热。表面1及2为漫灰表面，3为黑表面。求底面的温度及项面的净热流。 解：确定角系数,2020年7月8日,33,2-2漫灰有限表面间的辐射换热计算,4.举例,2020年7月8日,34,2-3漫灰微元表面间的辐射换热计算,实际上，每一个表面的温度或热流密度都可能是不均匀的。 把每个表面细分，直到每个小表面的面积无限小，则就可以考虑表面温度或热流密度的变化。 如：一个由n个表面组成的封闭系统，表面为漫灰体，

16、但温度和有效辐射在表面上分布不均匀。,2020年7月8日,35,2-3漫灰微元表面间的辐射换热计算,采用线性方程组的求解方法一样可以求解上式。 但由于采用了微元表面，增加了积分方程。对于辐射积分方程的求解，多年来研究考提出了许多解法，包括逐次迭代法、变分法、泰勒级数、数值积分法及高斯求积公式等。,对于微元表面dAk：,2020年7月8日,36,2-4非漫、灰表面的辐射换热,非漫、灰表面有： (1)表面是非灰体，表面物性与波长有关。 (2)表面为镜体。 (3)表面是非漫反射体，表面的吸收率和反射率与投射辐射的方向有关。 (4)表面是非漫射体，表面发射率与方向有关。 (5)表面的辐射特性与入射光的

17、偏振性有关。,2020年7月8日,37,第三部分 吸收介质热辐射基本理论与计算,2020年7月8日,38,吸收介质热辐射 基本理论与计算 气体辐射的基本概念和规律 气体与固体壁面的辐射换热的特点 传递方程 介质热辐射的计算 一维灰介质的理论解（精确解）,2020年7月8日,39,3-1气体辐射的基本概念和规律,1.气体辐射的特点 各种气体辐射和吸收特性差异较大，具有辐射和吸收能力的气体，其辐射和吸收特性具有明显的选择性。,具有辐射和吸收能力的气体，其辐射与吸收一般只发生在某一或某些波长范围内，不是连续的光谱。在这些波段外，介质对于辐射射线是透明体，不参加辐射和吸收。显然，气体不能作灰体处理。,

18、2020年7月8日,40,3-1气体辐射的基本概念和规律,1.气体辐射的特点 气体的辐射和吸收是在其整个容积内进行。 气体介质辐射需要考虑散射的影响。 散射是指热射线通过介质时方向改变的现象。在气体介质中含有各类粒子，引起介质场的不均匀，导致产生散射。 综上所述：气体的辐射与吸收除与气体的种类有关外，还与气体的状态、密度以及射线行程长度、波长等有关。由于气体光谱不连续，所以不论气体层多厚总有一部分能量能穿透气体，即使厚度为无限大，其吸收率也不等于1。,2020年7月8日,41,3-1气体辐射的基本概念和规律,2.布格尔定律 布格尔定律,说明射线穿过吸收、散射性介质的，其单色辐射强度沿传播行程按

19、指数规律衰减的规律。k称为单色衰减系数。,布格尔定律,2020年7月8日,42,3-1气体辐射的基本概念和规律,布格尔定律的初意是认为辐射能在介质中随行程长度L呈指数衰减，后来发现，很多气体、介质并不是这样，而是与L呈复杂的关系。 工程中或习惯上人都仍以布格尔定律的形式来表示辐射能衰减的规律。,ka单色吸收系数 ks单色散射系数,单色衰减系数,2020年7月8日,43,3-1气体辐射的基本概念和规律,光学厚度 光学厚度是在给定射线行程下，介质对某一单色热辐射的衰减能力的度量。 介质中射线的衰减并非直接取决于几何厚度，而是直接取决于光学厚度。 “光学厚”介质及“光学薄”介质,2020年7月8日,

20、44,3-1气体辐射的基本概念和规律,3.介质的发射率、吸收比和反射比 单色吸收比： 总吸收比： 单色发射率： 总发射率： 单色透射比： 总透射比：,2020年7月8日,45,3-1气体辐射的基本概念和规律,3.介质的发射率、吸收比和反射比 混合气体的单色吸收率总比组成它的各气体在同波长下的单色吸收率之和要小。 因为单一气体时，它吸收的辐射是没有被其他气体吸收过的，而混合气体时每一种气体吸收的辐射都被其他气体吸收过了。 气体发射率确定可以用有关图线，也可以用下列代数计算式。,2020年7月8日,46,3-2气体与固体壁面的辐射换热的特点,气体不是表面辐射而是容积辐射，且气体辐射的选择性比固体强得多，这两点形成了气体与壁面辐射换热的一系列特点。 通常空间辐射场是三维或二维的。 即使是一维的辐射场，由于辐射的方向化在一个空间点上，向前与向后的投射辐射能量也不同。 例如在太阳照射的一个空间点上，朝着太阳方向的投射辐射与背着太阳方向的就不一样。,2020年7月8日,47,3-3传递方程,一般流体的连续性方程、动量方程和能量方程也适用于有辐射的介质中，只是应注意考虑辐射热流。 1.热流密度方程 2.辐射传递方程,该式右边四项分别为：射线在介质中在L方向的自身辐射增强、单色辐射强度的吸收衰减