傳熱學(xué)：第六章 熱輻射及輻射傳熱

1、第6章 熱輻射及輻射傳熱,看一下書(shū)上例題6-7，6-10 思考題：2，13，40，41，37 作業(yè)題：6-3，6-6，6-11，6-13，6-14，6-18，6-22，6-25,熱輻射是熱量傳遞的三種基本方式之一,輻射傳熱是物體之間以熱輻射方式進(jìn)行熱量交換的總的效果,任何溫度高于OK的物體，每時(shí)每刻都在以熱輻射的方式向外界輻射能量,與此同時(shí)，物體又在每時(shí)每刻接受其它物體以熱輻射的方式向它輻射的能量,輻射傳熱問(wèn)題在工程領(lǐng)域和科學(xué)研究中普遍存在,例如在高溫加熱和燃燒、紅外干燥、紅外測(cè)試、衛(wèi)星、航天航空及太陽(yáng)能利用等領(lǐng)域都占有主導(dǎo)地位,對(duì)石油工程而言熱輻射理論的重要性要低一些,本章思路,1 輻射的基

2、本概念 2 理想輻射體黑體 黑體的輻射特性 黑體間的輻射傳熱計(jì)算 3 實(shí)際物體的輻射 實(shí)際物體的輻射和吸收特性 實(shí)際物體（灰體）輻射傳熱的計(jì)算,本章總說(shuō)明,物體的輻射特性包含發(fā)射特性和吸收特性 課程中提到的溫度包括兩個(gè)： （1）工業(yè)高溫，小于2000K紅外輻射 （2）太陽(yáng)高溫，近6000K太陽(yáng)輻射,6.1 熱輻射的基本概念6.1.1 熱輻射,輻射物體向外界以電磁波的方式發(fā)射攜帶能量的粒子的過(guò)程 宏觀輻射是連續(xù)的電磁波傳遞能量的過(guò)程 微觀輻射是不連續(xù)的光子傳遞能量的過(guò)程 電磁波的本質(zhì)是具有一定能量的光子(粒子)，輻射粒子所攜帶的能量，稱為輻射能,物質(zhì)會(huì)因受到各種不同方式的作用（激勵(lì)）而發(fā)射電磁波

3、 熱輻射：由于物體內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變而將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化成電磁波而發(fā)射出去的過(guò)程；或者說(shuō)，輻射能是由與溫度有關(guān)的內(nèi)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的 能夠發(fā)射熱輻射是自然界中物體的特性之一 在傳熱學(xué)中只研究熱輻射,電磁波通常是以波長(zhǎng)或頻率來(lái)識(shí)別的 起因不同，波長(zhǎng)不同、名稱不同,波長(zhǎng)不同，特性不同： 短波的射線、X射線等，高能物理學(xué)家和核工程師更感興趣 波長(zhǎng)在1mm1m的電磁波稱為微波，能穿透塑料、陶瓷和玻璃等，但會(huì)被水等極性分子吸收而產(chǎn)生內(nèi)熱源微波爐的原理 波長(zhǎng)大于1米的電磁波主要用于無(wú)線電技術(shù)中 熱輻射中發(fā)出的電磁波通常稱為熱射線，本質(zhì)上也是電磁波,工業(yè)溫度范圍（2000K）內(nèi)，有實(shí)際意義的熱輻射位于0.8100m

4、之間，且大部分能量集中在紅外區(qū)段0.7620m范圍內(nèi)，可見(jiàn)光區(qū)域（ 0.380.76m ）所占比重不大紅外輻射 太陽(yáng)輻射（溫度約為5800K）能量集中在0.22m的波長(zhǎng)范圍，其中可見(jiàn)光區(qū)段占很大比重可見(jiàn)光輻射,熱射線由于熱的原因而產(chǎn)生的、波長(zhǎng)介于為0.1100m的電磁波 熱射線特點(diǎn)： 具有電磁波的一般共性，能夠以光速傳播 電磁波的直線傳播、投射、反射、折射等也都適用于熱射線 投射到其他物體表面后能引起明顯的熱效應(yīng),6.1.2 輻射傳熱 不直接接觸的物體之間，由于各自輻射和吸收的綜合結(jié)果所產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象稱為輻射換熱 輻射換熱特點(diǎn)： （1）物體間不需要其他介質(zhì)存在，真空中效率最高 （2）伴隨著

5、能量形式的轉(zhuǎn)換：內(nèi)能輻射能內(nèi)能,6.1.3 輻射力與輻射強(qiáng)度輻射力,輻射力物體在單位時(shí)間內(nèi)、單位表面積向其上的半球空間的所有方向輻射出去的全部波長(zhǎng)（0波長(zhǎng)范圍內(nèi)）的能量 用“E”表示，W/m2 輻射力表述了物體在一定溫度下發(fā)射輻射能本領(lǐng)的大小 強(qiáng)調(diào)的是半球空間，盡其所能,任意微元表面都將整個(gè)空間劃分為對(duì)稱的兩部分：表面之上與表面之下,每一部分都對(duì)應(yīng)著半球空間,微元表面向其上的半球空間發(fā)射輻射能,微元表面也接受來(lái)自該半球空間的輻射能,光譜輻射力物體在單位時(shí)間內(nèi)、單位表面積向其周圍半球空間各個(gè)方向發(fā)射的某一特定波長(zhǎng)的能量,定向輻射強(qiáng)度,熱輻射研究的復(fù)雜性有兩個(gè)方面 光譜特性：輻射的強(qiáng)弱隨波長(zhǎng)而變化

6、，通過(guò)光譜輻射力來(lái)描述 方向特性：表面在不同方向上輻射能力是有差別的，如何衡量發(fā)射輻射在空間上的差別呢？ 引入定向輻射強(qiáng)度的概念,幾何上，“角”反映了在空間某一方向所占區(qū)域的大小,平面幾何中，用平面角表示在平面上所占區(qū)域的大小 單位“弧度”,類似地，為了表示物體在三維空間中某一方向所占空間的大小，引入“立體角”的概念,立體角（solid angle）：球面面積As與球面半徑r2之比 單位：sr,輻射通常用到半球空間，半球空間的幾何方位用球坐標(biāo)系更方便 用表示經(jīng)度角（azimuthal angle） 用表示緯度角（latitudinal angle）,微元立體角與半球空間幾何參數(shù)間的關(guān)系,微元立

7、體角，與半徑無(wú)關(guān),半球空間的立體角為2 sr,引入立體角的目的是衡量表面輻射的方向特性 表面在半球空間輻射的能量按不同方向分布的規(guī)律只有對(duì)不同方位中相同的立體角來(lái)比較才有意義,空間方位不同，可以見(jiàn)到的輻射面積是不同的,表面的法線方向最大,切線方向最小，為零,表面在半球空間輻射的能量按不同方向分布的規(guī)律只有在相同的輻射面積下來(lái)比較才有意義,可見(jiàn)（有效）輻射面積是指從空間某個(gè)方位所見(jiàn)到的表面有效面積,定向輻射（強(qiáng)）度單位時(shí)間內(nèi)，單位可見(jiàn)輻射面積向空間某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)出的總輻射能（發(fā)射反射） 用Lp表示，單位是W/(m2.sr),反映了物體向空間不同方向發(fā)射輻射能的強(qiáng)度 因定向輻射強(qiáng)度永遠(yuǎn)和

8、空間特定方向聯(lián)系在一起，可省略“定向”二字,熱輻射能投射到物體表面的反射現(xiàn)象和可見(jiàn)光一樣，也有鏡面反射和漫反射之分 取決于表面的粗糙程度相對(duì)于熱輻射的波長(zhǎng)而言 物體表面比較光滑，粗糙度很小，即表面的不平整尺寸小于投入輻射的波長(zhǎng)時(shí)，將呈現(xiàn)鏡面反射，此時(shí)入射角等于反射角，高度磨光的金屬板是鏡面反射的實(shí)例,6.1.4 理想輻射體物體對(duì)投射輻射的反應(yīng),鏡面反射 漫反射,物體對(duì)投射輻射的反應(yīng)：吸收、反射和穿透,根據(jù)能量守恒,投射輻射單位時(shí)間內(nèi)其他物體投射到物體單位面積上的輻射能，GWm2,反射比（Reflectivity）反射輻射占投射來(lái)的份額，表示物體反射投射輻射能力的大小 吸收比（Absorptiv

9、ity）反映了物體吸收輻射能能力的大小 透射比（Transmissivity）反映了物體透過(guò)輻射能能力的大小,反射比,吸收比,透射比,如果投入輻射是某一波長(zhǎng)的輻射能G，其中被物體吸收、反射和透射的部分分別為G、G和G，所占的份額分別為,光譜吸收比 光譜反射比 光譜透射比,吸收比、反射比和透射比屬于物體的輻射特性，取決于物體的種類、溫度和表面狀況，一般是波長(zhǎng)的函數(shù),說(shuō)明1：絕大多數(shù)固體和液體是不透明的 因?yàn)檩椛淠苓M(jìn)入固體和液體表面后，在極短的距離內(nèi)就被吸收完 例如對(duì)金屬導(dǎo)體，這個(gè)距離只有1m的數(shù)量級(jí)，對(duì)于大多數(shù)的非導(dǎo)電材料，這個(gè)距離也小于1mm,固體或液體表面性質(zhì)對(duì)其反射、吸收影響大,對(duì)固體和液

10、體，吸收能力大的物體，反射能力就小；或者說(shuō)善于吸收的物體就不善于反射,說(shuō)明2：氣體對(duì)投射輻射幾乎沒(méi)有反射能力,吸收性大的氣體，穿透性就差 氣體的吸收和透射與表面狀況無(wú)關(guān)，是在整個(gè)氣體容積上進(jìn)行的，具有體積效應(yīng) 某些氣體（空氣）,說(shuō)明3：幾個(gè)理想輻射體,的物體稱為黑體,的物體稱為透明體,的物體稱為白體或鏡體,理想輻射體的作用作為研究實(shí)際物體輻射的參照,6-2 黑體輻射的基本定律,6.2.1 黑體與黑體模型 將吸收比 = 1的物體稱為黑體 吸收特性： = 1，黑體具有最大的吸收能力，對(duì)投射輻射毫無(wú)選擇地百分之百的吸收 自然界中并不存在真正意義上的黑體 人工黑體開(kāi)小孔的空腔,人工黑體模型,人工黑體帶

11、小孔的空腔 當(dāng)輻射能從小孔進(jìn)入空腔時(shí) 經(jīng)過(guò)多次吸收和反射 反射一次就吸收一次而每吸收一次，使反射的能量減少 最終能夠通過(guò)小孔離開(kāi)的能量就近乎于零，認(rèn)為輻射能被全部吸收,小孔面積與空腔內(nèi)表面積之比越小，小孔就越接近于黑體 例如若小孔面積占空腔內(nèi)壁的總面積的0.6%時(shí)，在內(nèi)壁面吸收比為0.6的情況下，小孔的能量吸收（表觀吸收比）可達(dá)0.996 白天的窗戶,6.2.2 黑體輻射的基本規(guī)律,對(duì)黑體，在所有符號(hào)下加下標(biāo)“b”來(lái)表示其相應(yīng)的參數(shù) 1 普朗克定律（Plancks law） 反映了黑體光譜輻射力隨溫度、波長(zhǎng)的變化規(guī)律,光譜輻射力物體在單位時(shí)間內(nèi)、單位表面積向其周圍半球空間各個(gè)方向發(fā)射的某一特定

12、波長(zhǎng)的能量,式中， 波長(zhǎng)，m ； T 黑體溫度，K ； c1 第一輻射常數(shù)，3.74210-16 Wm2； c2 第二輻射常數(shù)，1.438810-2 WK；,Planck基于量子理論得到了黑體的光譜輻射力與波長(zhǎng)的關(guān)系,（1） 黑體輻射的波譜是連續(xù)的 （2）溫度越高，黑體的輻射能力越強(qiáng),（3）黑體輻射的波段特性：大部分能量集中在某一波段,（4）黑體輻射不是按波長(zhǎng)平均分布的，存在著最大的光譜輻射力,維恩位移定律（Wiens displacement law）,維恩在1896年用經(jīng)典熱力學(xué)方法確定了最大光譜輻射力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)和溫度之間的關(guān)系,加熱爐中鐵塊升溫過(guò)程中顏色的變化也能體現(xiàn)黑體輻射的特點(diǎn)：當(dāng)

13、鐵塊的溫度低于800K時(shí)，所發(fā)射的熱輻射主要是紅外線，人的眼睛感受不到，看起來(lái)還是暗黑色的。 隨著溫度的升高，鐵塊的顏色逐漸變?yōu)榘导t色、鮮紅色、橘黃色、亮白色，這是由于隨著溫度的升高，鐵塊發(fā)射的熱輻射中可見(jiàn)光的比例逐漸增大的緣故。,3 斯蒂芬-玻爾茲曼定律（stefanBoltzman）,b=5.6710-8 W/(m2.K4)斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，黑體輻射常數(shù) 黑體的輻射力與絕對(duì)溫度的四次方成正比，故又稱四次方定律。該定律解決了黑體輻射力的計(jì)算 1879年斯蒂芬依靠實(shí)驗(yàn)、1884年玻爾茲曼由熱力學(xué)方法推導(dǎo),波耳茨曼出生于1844年2月20日，是奧地利科學(xué)家。1866年，波耳茨曼在維也納獲得博

14、士學(xué)位，之后，他給他導(dǎo)師斯忒藩擔(dān)任助理。1884年波耳茨曼從理論上證明黑體表面輻射率定律。,計(jì)算中的實(shí)用形式：,Cb=5.67黑體輻射系數(shù),4 蘭貝特定律（Lamberts Law ）,黑體表面定向輻射度為常數(shù)，Lb=Const 黑體表面是漫發(fā)射表面，輻射強(qiáng)度與空間方位無(wú)關(guān),黑體的波段輻射力,定義：黑體在某一波段范圍內(nèi)發(fā)射輻射能的能力稱為波段輻射力,為便于工程計(jì)算，引入黑體輻射函數(shù),黑體輻射函數(shù)是T 的單值函數(shù)，并被制成表格查閱，稱為黑體輻射函數(shù)表,波段輻射力的計(jì)算,例：試分別計(jì)算溫度為300K、1000K、3000K和5762K的黑體的最大光譜輻射力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)以及可見(jiàn)光和紅外輻射所占的比例

15、（0.76-40微米）,解：直接應(yīng)用維恩位移定律求出各溫度下的最大光譜輻射力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng),T=5762K時(shí),可見(jiàn)光：0.38-0.76 微米,紅外輻射：0.76-40 微米,查黑體輻射函數(shù)表得，,可見(jiàn)光波段的輻射能量比例為： 0.5458-0.09932=0.4465,0.76-40微米的紅外波段的比例為： 1.0-0.5458=0.4542,（1）5762K是太陽(yáng)表面溫度，可視為黑體 可見(jiàn)光的能量占總輻射能的約45%，40微米以內(nèi)的紅外輻射也占45 （2）3000K大致是白熾燈燈絲的工作溫度 可見(jiàn)光所占的份額僅12，大部分電能以熱量的形式損失掉了,（3）物體被加熱到1000K時(shí)，發(fā)射光譜中無(wú)

16、可見(jiàn)光，幾乎全是紅外輻射能量，此時(shí)金屬材料物體稍顯暗紅色狀態(tài) （4）常溫300K時(shí)物體更不能有可見(jiàn)光，40微米以內(nèi)的紅外輻射能的比例也低于1000K物體的，原因是有一部分能量在40微米以上,6-3 黑體表面間的輻射換熱,了解了黑體的輻射規(guī)律之后，需要對(duì)黑體表面間的輻射換熱進(jìn)行計(jì)算 首先看兩個(gè)表面間的輻射傳熱的計(jì)算,6.3.1 兩個(gè)黑體表面間的輻射傳熱,任意放置的兩個(gè)黑體表面: 面積A1、A2 溫度T1、T2 如何計(jì)算它們的傳熱量？,表面1發(fā)出的輻射能Eb1A1 表面2發(fā)出的輻射能Eb2A2,二者相減是不是它們之間的換熱量？,為什么？,在表面面積、溫度確定的條件下，表面1發(fā)出的輻射能未必全部落到

17、表面2上，同樣表面2發(fā)出的輻射能未必全部落到表面1上,表面相對(duì)位置不同，黑體發(fā)出的輻射能落到對(duì)方上的數(shù)量是不同的因?yàn)楸砻媸窍蚱渖系陌肭蚩臻g發(fā)射的,兩種極端的情形,大多數(shù)情況是介于二者之間的情形,要計(jì)算兩個(gè)表面之間的凈換熱量，必須知道表面1發(fā)出的輻射能落到2上部分，表面2發(fā)出的輻射能落到1中的部分,角系數(shù),角系數(shù)：離開(kāi)某一表面1的輻射能落到另一表面2上的份額，稱為表面1對(duì)表面2的角系數(shù) 以X1,2表示，其中1表示發(fā)射輻射能的表面，2表示接受輻射能的表面 同樣可定義X2,1,從表面1發(fā)出的并落到表面2的輻射能為,從表面2發(fā)出的并投落到表面1的輻射能為,兩個(gè)表面以輻射的方式交換的熱量為,角系數(shù)怎么得

18、到？,6.3.2 角系數(shù)及性質(zhì),1 角系數(shù)的定義式 角系數(shù)的英文是：Angle factor, View factor, radiation shape factor,根據(jù)角系數(shù)和定向輻射強(qiáng)度的定義，并利用蘭貝特定律,2 角系數(shù)的性質(zhì) （1）角系數(shù)純是幾何因子,條件：漫射表面、表面溫度均勻（不均勻應(yīng)看成不同表面）,取決于兩個(gè)物體表面的幾何形狀、大小和相對(duì)位置 與物體的種類、溫度、表面狀況均沒(méi)有關(guān)系，也與物體表面是否為黑體表面無(wú)關(guān),（2）有限性,（3）互換性原理（相對(duì)性）-Reciprocity,（4）完整性 任何物體都與其它所有參與輻射換熱的物體構(gòu)成一個(gè)封閉空腔，表面發(fā)出的輻射能百分之百地落在

19、封閉空腔的各個(gè)表面之上,（5）可加性 實(shí)質(zhì)上是輻射能的可加性，體現(xiàn)了能量守恒,此式成立否？,此式不成立！,直接的可加性只針對(duì)角系數(shù)的第二個(gè)角碼,對(duì)第一個(gè)角碼實(shí)施可加性時(shí)需要考慮各自的面積,3 角系數(shù)的計(jì)算,角系數(shù)的確定方法有多種, 有：直接積分法、查曲線法、代數(shù)法等 （1）直接積分法 按角系數(shù)定義通過(guò)求解多重積分而獲得角系數(shù)的方法,四重積分，數(shù)學(xué)上存在困難！,（2）代數(shù)分析法 利用角系數(shù)的定義及性質(zhì), 通過(guò)代數(shù)運(yùn)算確定角系數(shù)的方法 互換性 完整性,（a）由三個(gè)非凹表面組成的封閉系統(tǒng)，在垂直于紙面方向上為無(wú)限長(zhǎng)，忽略端部效應(yīng),非凹表面,根據(jù)角系數(shù)的完整性,根據(jù)角系數(shù)的互換性,（b）由兩個(gè)在垂直于

20、紙面方向無(wú)限長(zhǎng)的非凹表面1、2, 橫斷面的線段長(zhǎng)度分別為ab、cd,作輔助面ac、bd，由完整性,作輔助面bc構(gòu)造封閉空腔abc,作輔助面bd構(gòu)造封閉空腔abd,這種確定角系數(shù)的方法稱為交叉線法,（c）幾種特殊幾何關(guān)系的角系數(shù),平行放置、相距很近的兩個(gè)大平板 忽略邊緣效應(yīng),凸表面1被另一黑體凹表面2包圍，教桌表面與整個(gè)房間壁面間、一個(gè)小球置于另一個(gè)球殼之內(nèi)、長(zhǎng)的同（偏心）心套筒的內(nèi)筒的外表面和外筒的內(nèi)表面之間,（3）查圖法 為便于工程應(yīng)用，已將大量幾何結(jié)構(gòu)的角系 數(shù)求解結(jié)果繪制成曲線 注意：曲線適用的幾何形狀上的特點(diǎn)和要求 可查閱傳熱學(xué)手冊(cè)、輻射傳熱手冊(cè),6.3.3 黑體輻射換熱的計(jì)算,確定了

21、角系數(shù)之后，結(jié)合斯蒂芬-波爾茲曼定律可以很方便的求出兩個(gè)黑體表面之間的凈換熱量,寫(xiě)成電學(xué)中歐姆定律表達(dá)式的形式,相當(dāng)于電阻, 稱為空間輻射熱阻,輻射傳熱計(jì)算中涉及到兩個(gè)熱量： 兩個(gè)表面之間的換熱量 某個(gè)表面的凈損失（得到）的熱量 這兩個(gè)熱量一樣嗎？ 如果只有兩個(gè)黑體表面之間輻射傳熱，表面間的熱流量既是表面1凈損失的熱量，也是表面2凈獲得的熱量,對(duì)任意位置的兩個(gè)表面，二者未必相等 表面間的換熱量未必是表面1凈損失的輻射能量或表面2凈獲得的輻射能量為什么？ 表面還可能與其他表面進(jìn)行輻射傳熱 為了計(jì)算某個(gè)表面凈損失或得到的能量，必須要將該表面發(fā)射的輻射能所能落到的表面、其它表面發(fā)射的輻射能落到該表面

22、上的能量都考慮進(jìn)去 為此必須將相關(guān)的表面都考慮進(jìn)來(lái)，構(gòu)成封閉腔,封閉腔必須把由空間各個(gè)方向投射到該表面的輻射能包括進(jìn)去 輻射換熱封閉腔內(nèi)的表面可以是物理上真實(shí)的，也可以是虛擬的 其中任意一個(gè)表面的凈輻射熱流量為,6.4 實(shí)際物體輻射的基本規(guī)律,6.4.1 實(shí)際表面輻射的發(fā)射特性 1 實(shí)際表面輻射的波長(zhǎng)特性 2 實(shí)際物體的輻射力 3 實(shí)際表面輻射的方向特性 6.4.2 實(shí)際表面輻射的吸收特性 6.4.3灰體 6.4.4基爾霍夫定律,6.4.1 實(shí)際表面輻射的發(fā)射特性,1 實(shí)際表面輻射的波長(zhǎng)特性,黑體輻射的波長(zhǎng)特性Planck定律,實(shí)際物體 定性上類似于普朗克定律：連續(xù),但不光滑、不規(guī)則 0或，E

23、 0,實(shí)際物體 存在Emax，但與黑體并不對(duì)應(yīng) 總是位于黑體曲線的下方,光譜發(fā)射率、單色黑度,實(shí)際物體的光譜輻射力與相同溫度下、相同波長(zhǎng)黑體的光譜輻射力之比,實(shí)際物體的光譜輻射力,實(shí)際物體的光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)的變化也不規(guī)則,2 實(shí)際物體的輻射力,發(fā)射率、黑度，全黑度、全輻射率, 發(fā)射率和光譜發(fā)射率均為小于1的正數(shù) 表示實(shí)際物體發(fā)射輻射能的能力接近黑體的程度，提供了比較的標(biāo)準(zhǔn),實(shí)際物體的輻射力, 與溫度的不成四次方關(guān)系，偏差歸到發(fā)射率中 發(fā)射率都是溫度的函數(shù),發(fā)射率是溫度的函數(shù),發(fā)射率是材料的物性參數(shù) 查手冊(cè)取得 手冊(cè)中：法向發(fā)射率,關(guān)于發(fā)射率,發(fā)射率的影響因素,物體表面溫度,發(fā)射率的影響因素,物

24、質(zhì)的種類，特別是表面及最外層的材料種類 一般來(lái)說(shuō)，金屬的發(fā)射率較小，而非金屬的發(fā)射率較大 如38下無(wú)光澤的銅的發(fā)射率為0.22，鍍鋅鐵皮的發(fā)射率為0.23。,金屬的發(fā)射率較小，而非金屬的發(fā)射率較大,大部分非金屬材料的發(fā)射率都很高，一般在0.850.95之間各色油漆的發(fā)射率介于0.92-0.96之間，抹灰墻的發(fā)射率為0.94 非金屬材料的表面狀況（包括顏色）對(duì)發(fā)射率的影響不大，缺乏資料時(shí)，可近似取作0.75-0.95,表面狀況表面的氧化及加工狀況,表面的粗糙化和氧化層的形成，將使黑度明顯增加 例如，在常溫38下的黃銅表面 粗糙的黃銅的黑度為0.74 無(wú)光澤的黃銅的為0.22 稍加磨光的黃銅為0.

25、12 拋光的黃銅黑度只有0.05左右 嚴(yán)重氧化的可達(dá)0.9,3 實(shí)際表面輻射的方向特性,黑體輻射 蘭貝特定律，定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān) 實(shí)際物體則不然，不滿足蘭貝特定律, 定向發(fā)射率，定向黑度,注意：實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度完全是自身發(fā)射的輻射能，不包括投射輻射后反射的部分,實(shí)際物體并不是理想的漫射表面,定向發(fā)射率在空間的不同方向是不同的,非導(dǎo)體大體在70。內(nèi)近似為常數(shù)；超過(guò)70。以后，急速減少直至等于零。,導(dǎo)體低于40。50。，近似為常數(shù)；超出此范圍，先快速增大，最后衰減為零,半球向總發(fā)射率與法向發(fā)射率的比值相差不多 導(dǎo)體不會(huì)超過(guò)1.0l.3 非導(dǎo)體介于0.931.0 鑒于此對(duì)絕大多數(shù)實(shí)際工程材

26、料來(lái)說(shuō)，近似地認(rèn)為服從蘭貝特定律，即實(shí)際材料也近似看作漫射表面,6.4.2 實(shí)際表面輻射的吸收特性,光譜吸收比實(shí)際物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能吸收的百分比，記為,總吸收比表面對(duì)全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)的投射輻射的吸收率，記為,波長(zhǎng)相同，不同材料的吸收比不同與吸收表面有關(guān),相同材料，波長(zhǎng)不同吸收比不同物體的吸收具有選擇性,大自然的五彩繽紛的色彩 焊接工人所帶的墨鏡, 影響因素 （1）吸收表面情況包括吸收表面的溫度、表面狀況（如顏色、粗糙度、氧化情況等）自身有關(guān),（2）投射輻射源投射輻射源的溫度、表面狀況、方位等外界環(huán)境 增加了問(wèn)題研究的困難,說(shuō)明：,表面顏色對(duì)不同的投射輻射的影響是不同的 （1）對(duì)太陽(yáng)輻射來(lái)

27、說(shuō)，物體表面的顏色是影響物體吸收的重要因素 白漆的吸收比為0.12，黑漆的吸收比為0.96 冬不穿白、夏不穿黑 （2）對(duì)紅外輻射而言，表面顏色對(duì)吸收的影響很小 白漆和黑漆的吸收比幾乎相同0.9 雪對(duì)紅外輻射的吸收比可達(dá)到0.98,6.4.3 基爾霍夫定律,物體的輻射特性：吸收特性、發(fā)射特性,問(wèn)題同一表面的這兩種性質(zhì)有無(wú)聯(lián)系？,黑體：,發(fā)射率反映物體發(fā)射輻射能能力大小,吸收比反映物體吸收輻射能能力大小,實(shí)際物體是否也有這樣的關(guān)系呢？,簡(jiǎn)單情形分析兩平行平板間的輻射傳熱,板2凈損失的能量為,板1是黑體,板2是實(shí)際物體,兩板處于熱力學(xué)平衡狀態(tài),基爾霍夫定律,基爾霍夫定律的表述,熱平衡條件下，物體的輻

28、射力與其吸收比的比值等于相同溫度下黑體輻射力,熱平衡條件下，物體的發(fā)射率（黑度）等于它的吸收比,基爾霍夫定律的兩條有用的結(jié)論,（1）在一定的溫度下，物體的輻射力越大，吸收比也越大。換句話說(shuō)，善于輻射的物體必善于吸收，反之亦然,（2）實(shí)際物體的吸收比低于1，也就是在相同溫度下黑體的輻射力最大,對(duì)半球向全波長(zhǎng)輻射和吸收的基爾霍夫定律：,適用條件： （1）兩個(gè)物體必須處于熱平衡條件 （2）實(shí)際物體接收的投射輻射必須來(lái)自黑體,條件非常苛刻！,基爾霍夫定律的結(jié)論是很有吸引力的,對(duì)漫射表面的半球向光譜輻射和吸收，重復(fù)上述推導(dǎo)過(guò)程可以得到針對(duì)半球向光譜特性的基爾霍夫定律,此時(shí)，保持板2的溫度不變，如果投射輻

29、射不是來(lái)自黑體、系統(tǒng)也不處于熱平衡，它成立嗎？,對(duì)漫射表面，此式無(wú)條件成立,6.4.4 灰體,灰體光譜吸收率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體,對(duì)由黑體和灰體組成的輻射換熱系統(tǒng)在熱平衡的條件下重復(fù)推導(dǎo)過(guò)程：,請(qǐng)思考：,若保持灰體自身溫度不變而改變灰體的環(huán)境，使其所受的輻射不是來(lái)自同溫度下的黑體輻射，而是來(lái)自任意溫度的其他物體，這時(shí)上式還成立嗎？,（換句話說(shuō)：是否一定要熱平衡？一定要來(lái)自黑體輻射？）,答案是肯定的,首先按灰體的定義其吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，在一定溫度下為常數(shù)，不再與環(huán)境有關(guān) 其次物體的發(fā)射率是物性參數(shù)，與環(huán)境條件無(wú)關(guān)，自身溫度一定時(shí)為常數(shù) 這兩個(gè)常數(shù)只和自身有關(guān),對(duì)灰體表面：始終有吸收率等于發(fā)射率的結(jié)論

30、,對(duì)輻射換熱條件下吸收比的確定帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的簡(jiǎn)化，其重要性是不容低估的,灰體表面也是一個(gè)理想化表面,問(wèn)題 什么樣的表面可以看成是灰體表面呢？ 一般工程中的實(shí)際物體是否可以近似當(dāng)作灰體來(lái)對(duì)待？,在一般的輻射換熱計(jì)算所涉及到的工業(yè)高溫范圍以內(nèi)，絕大部分物體的輻射能量都位于紅外波段，大多數(shù)工程材料在紅外波段中的光譜吸收比基本上等于常數(shù)，可看作是灰體,Attention：,不能把該結(jié)論任意地?cái)U(kuò)展到包括可見(jiàn)光在內(nèi)的全波段范圍內(nèi) 本課程只討論漫灰表面,6.5 灰體表面間的輻射換熱,漫射灰體表面，表面的物性參數(shù)為常數(shù),表面上的溫度均勻分布,表面間充滿了不參與輻射的透明介質(zhì),基本假設(shè)：,輻射傳熱過(guò)程是穩(wěn)定的,灰

31、體發(fā)射和吸收輻射能的特點(diǎn)：,和同溫度下黑體的發(fā)射和吸收有一個(gè)折扣,發(fā)射輻射能的折扣：發(fā)射率 吸收輻射能的折扣：吸收率,6.5.1 投射輻射和有效輻射,使灰體表面存在“多次反射、多次吸收”現(xiàn)象,多次反射、多次吸收增加了灰體間輻射換熱計(jì)算的復(fù)雜性,有效輻射,定義單位時(shí)間內(nèi)離開(kāi)單位表面積的總輻射能 記為J，單位為W/m2,有效輻射表示的是表面的輻射能總效應(yīng),包括兩部分： 表面自身的輻射能 投入輻射中被表面反射的部分能量,唯一知道的是有這么多能量是離開(kāi)該表面的,有效輻射是在灰體表面外用測(cè)試儀表測(cè)量到的能量，但作為測(cè)量者本身無(wú)法辨別哪一部分能量是本身輻射哪一部分是反射輻射,投射輻射,單位時(shí)間內(nèi)投射到單位

32、表面積上的輻射能，稱為投射輻射(irradiation) 記為G，單位為W/m2 也是一種總效應(yīng) 物體周圍的各物體發(fā)射的輻射能落到其表面的部分 自身發(fā)出的輻射能被其他物體反射后落回到該表面的部分,有效輻射和投射輻射間的關(guān)系,黑體：有效輻射就是其本身的輻射力,6.5.2 輻射傳熱的表面熱阻和空間熱阻,輻射傳熱關(guān)心的問(wèn)題之一： 如何計(jì)算某灰表面的凈輻射能量呢？,表面的凈輻射能量是表面在單位時(shí)間內(nèi)支出和收入的輻射能差額,從表面外部來(lái)觀察,從表面內(nèi)部觀察,消去G后得到,類似于歐姆定律，滿足勢(shì)差、阻力和流的關(guān)系,輻射傳熱的 表面熱阻,表示發(fā)射率不為1或表面積A不是無(wú)限大時(shí)而產(chǎn)生的熱阻，與物體自身表面的因

33、素有關(guān)，所以稱為表面熱阻,輻射傳熱的表面熱阻 單元網(wǎng)絡(luò),輻射傳熱關(guān)心的問(wèn)題之二： 如何計(jì)算兩個(gè)灰體表面間的輻射傳熱呢？,不同之處：離開(kāi)灰體表面的輻射能是有效輻射,相似之處：要分別計(jì)算出離開(kāi)每個(gè)表面的輻射能 中落到另一個(gè)表面上的數(shù)量 角系數(shù)概念適用,和分析兩個(gè)黑體表面間輻射傳熱的比較：,兩個(gè)任意放置的灰表面間的輻射傳熱量為：,類似于歐姆定律，滿足勢(shì)差、阻力和流的關(guān)系,輻射傳熱的空間熱阻,輻射傳熱的空間熱阻單元網(wǎng)絡(luò),6.5.3 兩個(gè)灰體表面間的輻射傳熱,這里的兩個(gè)灰體表面間的輻射傳熱 兩個(gè)表面構(gòu)成的封閉系統(tǒng) 只有二者之間交換能量,對(duì)每一表面而言,對(duì)兩個(gè)表面整體而言,三個(gè)熱量之間滿足如下關(guān)系：,三式

34、聯(lián)立消去J1、J2可得,兩個(gè)灰表面之間輻射傳熱的基本計(jì)算式，適用條件： （1）漫灰表面；（2）兩個(gè)表面構(gòu)成的封閉系統(tǒng)！,當(dāng)兩個(gè)灰體表面相互輻射傳熱時(shí) 表面不是黑體表面，各自存在著表面熱阻 因空間關(guān)系存在著空間熱阻 三個(gè)熱阻之間是串聯(lián)的關(guān)系,當(dāng)兩個(gè)灰體表面相互輻射傳熱時(shí),將輻射熱阻比擬成等效電阻從而通過(guò)等效的網(wǎng)絡(luò)圖來(lái) 求解輻射傳熱問(wèn)題的方法稱為輻射傳熱的網(wǎng)絡(luò)法,節(jié)點(diǎn)電勢(shì),電源電動(dòng)勢(shì),兩表面間輻射換熱的特例,（1）兩個(gè)相距很近的大平板,（2）凸表面1被凹表面2包圍,特別地,例如大房間內(nèi)的物體，如熱水管線，氣體容器內(nèi)或管線內(nèi)的測(cè)溫 注意表面1、2的標(biāo)記,6.5.4 多個(gè)表面組成封閉系統(tǒng)的輻射換熱,由

35、兩個(gè)表面構(gòu)成的封閉系統(tǒng)：其中一個(gè)表面的凈損失或凈得到熱量，實(shí)際上就是兩個(gè)表面間的輻射換熱量 對(duì)由三個(gè)或三個(gè)以上的表面構(gòu)成的封閉的輻射換熱系統(tǒng)：情況就不是如此某表面的凈輻射能量是它與其他所有表面能量交換的綜合結(jié)果 為此必須構(gòu)造封閉系統(tǒng),由n個(gè)表面構(gòu)成的封閉系統(tǒng),封閉系統(tǒng)內(nèi)的任一表面i有如下的能量平衡式,計(jì)算各表面之間的換熱量 計(jì)算各表面的凈輻射熱量,計(jì)算的關(guān)鍵是確定有效輻射J,有效輻射J通常是未知的，如何計(jì)算有效輻射？,計(jì)算多個(gè)灰體間輻射換熱的方法很多，這里僅介紹輻射網(wǎng)絡(luò)法工程常用,網(wǎng)絡(luò)模擬法又稱熱網(wǎng)絡(luò)法，電網(wǎng)絡(luò)法等,基本原理用電學(xué)中的電流、電位差和電阻比擬熱輻射中的熱流、熱勢(shì)差與熱阻，用電路來(lái)比擬輻射