辐射换热理论基础.ppt

《辐射换热理论基础.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《辐射换热理论基础.ppt（48页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、辐射换热理论基础,6-1 热辐射的基本概念,1. 热辐射定义及特点 (1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量； (2) 特点：a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。,2. 电磁波谱,电磁辐射包含了多种形式，如图6-1所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1100m。 电磁波的传播速度： c = f 式中：f 频率, 波长，m,电 磁 辐 射 波 谱,图6-1,当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种

2、现象，即吸收、反射和穿透，如图6.5-2所示。,3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透,图6.2物体对热辐射的吸收反射和穿透,对于大多数的固体和液体： 对于不含颗粒的气体： 对于黑体： 镜体或白体：,透明体：,反射又分镜反射和漫反射两种,图6-3 镜反射,图6-4 漫反射,1.黑体概念 黑体：是指能吸收投射到其面 上的所有热辐射能的物体，是 一种科学假想的物体，现实生 活中是不存在的。但却可以人 工制造出近似的人工黑体。,图6-5 黑体模型,6-2 黑体辐射的基本定律,辐射力E： 单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。 (W/m2)； 光谱辐射力E： 单位时间内，单位波

3、长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。 (W/m3)；,2.热辐射能量的表示方法,E、E关系:,显然， E和E之间具有如下关系：,黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为Eb,3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质,式中， 波长，m ； T 黑体温度，K ； c1 第一辐射常数，3.74210-16 Wm2； c2 第二辐射常数，1.438810-2 mK；,(1)Planck定律(第一个定律)：,图6-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。 m与T 的关系由Wien位移定律给出，,图6-6 Planck 定律的图示,9,如

4、不是黑体，则不完全遵守这个定律，但其变化方向是相同的，例如金属： 当T500C时，没有可见光，颜色不变；T 增大，其颜色分别为暗红、鲜红、桔黄和白色(色温现象)。用于判断被加热物体的温度。,例题6-1 试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大单色辐射力所对应的波长。 解： 应用Wien位移定律 T=2000K 时 max=2.897610-3/2000=1.45 m T=5800K 时 max=2.897610-3/5800=0.50 m 常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区 太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区,(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：,式中，

5、= 5.6610-8 w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。,(3)黑体辐射函数,黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力，如图6-7所示：,图6-7 特定波长区段内的 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：sr(球面度)，如图6-8和6-9所示：,(4)立体角,用黑体辐射函数表示波段区间的辐射能:,图6-8 立体角定义图,图6-9 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6-10。,(5) 定向辐射强度L(, )：,图6-10 定向辐射强度 的定义图,(6) Lambert 定

6、律(黑体辐射的第 三个基本定律),它说明黑体的定向辐射随天顶角呈余弦规律变化，见图6-11，因此， Lambert定律也称为余弦定律。,图6-11 Lambert定律图示,沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:,说明： 黑体的定向辐射强度为其总辐射能力的1/倍。, 6-3 实际固体和液体的辐射特性,1 发射率 前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长； 真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体； 因此，定义了发射率 (也称为黑度) ：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:,上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实

7、表面的发射能力是随方向和光谱变化的。,Wavelength,Direction (angle from the surface normal),因此，我们需要定义方向光谱发射率，对于某一指定的方向(, ) 和波长,对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总发射率，即实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：,对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度L，分别引入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率( )和定向发射率( )，其表达式和物理意义如下,实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:,实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：,实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：

8、,漫发射的概念：表面的定向发射率 () 与方向无关，即定向辐射强度与方向无关，满足上述规律的表面称为漫发射面，这是对大多数实际表面的一种很好的近似。,图6-15 几种金属导体在不同方向上的定向发射率( )(t=150),图6-16 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率( )(t=093.3),前面讲过，黑体、灰体、白体等都是理想物体，而实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同，比如，(1)实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图6-17；(2) 实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；(3) 实际物体的定向辐射强度也不严格遵守Lambert定律，等等。所有这些差别全部

9、归于上面的系数，因此，他们一般需要实验来确定，形式也可能很复杂。在工程上一般都将真实表面假设为漫发射面。,图6-17 实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱,本节中，还有几点需要注意 将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很难理论确定，仅是一种权宜之计； 服从Lambert定律的表面称为漫射表面。虽然实际物体的定向发射率并不完全符合Lambert定律，但仍然近似地认为大多数工程材料服从Lambert定律； 物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说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。,6-4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,上一节简单介绍了实际物体的发射

10、情况，那么当外界的辐射投入到物体表面上时，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 medium,1. 投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2. 选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际 物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变 化，这叫选择性吸收 3. 吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表 示，即,首先介绍几个概念：,(4) 光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。,图6-19和6-20分别给出了室温下几种材料的光谱吸

11、收比同波长的关系。,图6-19 金属导电体的光谱吸收比同波长的关系,图6-19 非导电体材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，不管投入辐射的分布如何，吸收比都是同一个常数。,根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质及温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1、2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1的吸收比为,如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为,图6-21 物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系,1859年，Kirchhoff 用热力学方法回答了这个问题，从而提出了Kirchhoff 定律。,发射辐射与吸收辐射之间

12、具有什么样的联系：,此即Kirchhoff 定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下限制： 整个系统处于热平衡状态； 如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等； 投射辐射源必须是同温度下的黑体。,为了将Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人们考察、推导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式，见表6-2。,表6-2 Kirchhoff 定律的不同表达式,注： 漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合Lambert定律的物体表面； 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

13、黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。,6-5 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，表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相对位置等几个因素均有关系，这种因素常用角系数来考虑。 1. 角系数的定义 在介绍角系数概念前，要先温习两个概念 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。,下面介绍角系数的概念及表达式。 (1) 角系数：有两个表面，编号为1和2，其间充满透明介质，则表面1对表面2的角系数X1,2是：表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1辐射能量的百分比。即,(2)有效辐射：单位时间内离开单位面积的总辐射。包括了

14、自身的发射辐射E和反射辐射G。G为投射辐射。,同理，也可以定义表面2对表面1的角系数。角系数的应用是有一定限制条件的，即漫射面、等温、物性均匀,(6-1),36,两个微元表面dA1和dA2，则,(2) 微元面对微元面的角系数,37,同理,可见,如果表面dA1是漫射表面（满足Lamberts Law）,表面dA1发出的能量,(6-2a),(6-2b),38,(3) 微元面对面的角系数 由角系数的定义可知，微元面dA1对面A2的角系数为,微元面dA2对面A1的角系数则为,(6-3a),(6-3b),39,表面对表面,同理,二式比较,角系数的二个条件：漫射，L均匀分布 黑体和灰体都满足 实际物体当灰

15、体，这样处理误差不大 此时，角系数只是几何量,(4) 面对面的角系数,(6-4a),(6-4b),2. 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。 (1) 相对性 由式(6-2a)和(6-2b)可以看出,由式(6-4a)和(6-4b)也可以看出,以上性质被称为角系数的相对性。,上式称为角系数的完整性。若表面1为非凹表面时，X1,1 = 0。,图6.5-3 角系数的完整性,(2) 完整性 对于由n个表面组成的封闭系统，据能量守恒可得:,43,值得注意的是，图中的表面2对表面1的角系数不存在上述的可加性。,(3) 可加性 如图所示，表面2可分为a和b两个面，当然也可以分 为n

16、个面，则角系数的可加性为,图6.5-4 角系数的可加性,图6.5-4 角系数的可加性,再来看一下2 对 1 的能量守恒情况:,3 角系数的计算方法 求解角系数的方法通常有直接积分法、代数分析法、几何分析法以及Monte-Carlo法。直接积分法的结果见公式(6-2)-(6-4)。下面只给出代数分析法。 代数分析法是利用角系数的各种性质，获得一组代数方程，通过求解获得角系数。值得注意的是，(1)利用该方法的前提是系统一定是封闭的，如果不封闭可以做假想面，令其封闭；(2)凹面的数量必须与不可见表面数相等。,46,例：三个非凹表面构成的封闭系统，如图,完整性：,相对性：,六个方程六个未知数可解得：,(1) 代数分析法,47,例：任意两个不相交非凹表面，如图 做辅助线ac，bd 由完整性：,或,再作辅助线ad、bc，则成为两个三表面封闭系统。,于是,A1,A2,48,(3) 图表法（p157） 将常见结构做成图以便查阅,(2) 积分法 直接用角系数的公式进行积分得出，此法较繁琐，应用不多。,