第11章補充3個專題

1、2022-5-913個專題v氣體輻射氣體輻射v粒子輻射粒子輻射v火焰輻射火焰輻射2022-5-92一、氣體輻射一百年前，天文學(xué)家觀察星球，研究大氣輻一百年前，天文學(xué)家觀察星球，研究大氣輻射特性。氣象學(xué)家也因為熱影響氣候，所射特性。氣象學(xué)家也因為熱影響氣候，所以關(guān)心大氣輻射。由此形成以關(guān)心大氣輻射。由此形成“大氣輻射大氣輻射學(xué)學(xué)”。恒星大氣物理學(xué)，通過觀測太陽、星球的光恒星大氣物理學(xué)，通過觀測太陽、星球的光線，了解恒星大氣的物理狀態(tài)、過程和化線，了解恒星大氣的物理狀態(tài)、過程和化學(xué)組成等。氣體輻射是其主要研究內(nèi)容之學(xué)組成等。氣體輻射是其主要研究內(nèi)容之一。一。天體物理學(xué)。恒星大氣物理學(xué)是其一個重要天

2、體物理學(xué)。恒星大氣物理學(xué)是其一個重要分支。分支。這些研究一開始就采用光譜方法，到目前已這些研究一開始就采用光譜方法，到目前已形成較完整的實驗、計算方法。形成較完整的實驗、計算方法。2022-5-93傳熱界對氣體輻射的研究，起于傳熱界對氣體輻射的研究，起于20世紀(jì)世紀(jì)2030年代，源于對氣體輻射在爐膛傳熱中年代，源于對氣體輻射在爐膛傳熱中重要作用的認(rèn)識。當(dāng)時采用的是直接測量的重要作用的認(rèn)識。當(dāng)時采用的是直接測量的純實驗方法。純實驗方法。1942年霍太爾（年霍太爾（Hottel H C,美美國，國，1903-1998）整理了自己與他人的實驗數(shù)）整理了自己與他人的實驗數(shù)據(jù)，發(fā)表了二氧化碳、水蒸氣發(fā)射

3、率的線算據(jù)，發(fā)表了二氧化碳、水蒸氣發(fā)射率的線算圖，也稱為圖，也稱為Hottel線算圖。這張圖用得很廣，線算圖。這張圖用得很廣，相當(dāng)多的工程氣體輻射計算標(biāo)準(zhǔn)或傳統(tǒng)方法，相當(dāng)多的工程氣體輻射計算標(biāo)準(zhǔn)或傳統(tǒng)方法，都用或源于這張圖，目前大多數(shù)的傳熱教材都用或源于這張圖，目前大多數(shù)的傳熱教材中氣體輻射部分也僅介紹此圖。中氣體輻射部分也僅介紹此圖。2022-5-9420世紀(jì)世紀(jì)60年代，隨著航空航天工業(yè)的崛起，年代，隨著航空航天工業(yè)的崛起，隨著幾起重大的固體火箭發(fā)動機的重大事故，隨著幾起重大的固體火箭發(fā)動機的重大事故，需要計算如火箭尾焰的輻射等問題，要求進(jìn)需要計算如火箭尾焰的輻射等問題，要求進(jìn)行比較準(zhǔn)確的

4、高溫氣體輻射特性計算，霍太行比較準(zhǔn)確的高溫氣體輻射特性計算，霍太爾線算圖的準(zhǔn)確性就不夠了。傳熱界開始引爾線算圖的準(zhǔn)確性就不夠了。傳熱界開始引入以原子、分子輻射理論為基礎(chǔ)的光譜方法，入以原子、分子輻射理論為基礎(chǔ)的光譜方法，由于可借鑒大氣輻射的研究方法，很快出現(xiàn)由于可借鑒大氣輻射的研究方法，很快出現(xiàn)了多種有一定準(zhǔn)確度、并適合工程應(yīng)用的譜了多種有一定準(zhǔn)確度、并適合工程應(yīng)用的譜帶模型方法。目前已大量用于介質(zhì)輻射傳熱帶模型方法。目前已大量用于介質(zhì)輻射傳熱與氣體輻射的數(shù)值計算中。與氣體輻射的數(shù)值計算中。2022-5-95隨著計算能力的提高，將來以光譜為基隨著計算能力的提高，將來以光譜為基礎(chǔ)的方法會廣泛應(yīng)用

5、，同時這也是輻射礎(chǔ)的方法會廣泛應(yīng)用，同時這也是輻射傳熱成熟的重要標(biāo)志之一。傳熱成熟的重要標(biāo)志之一。2022-5-96氣體輻射的微觀理論簡介氣體輻射的光譜是氣體輻射的光譜是不連續(xù)不連續(xù)的，由多個的，由多個分立的譜分立的譜帶帶組成，每個譜帶依其特征波長（波數(shù)）命組成，每個譜帶依其特征波長（波數(shù)）命名。在高分辨率下，每個譜帶是由許多譜線名。在高分辨率下，每個譜帶是由許多譜線組成。組成。對紅外波段，其產(chǎn)生機理主要是氣體分子的原對紅外波段，其產(chǎn)生機理主要是氣體分子的原子核外的電子（能子）旋轉(zhuǎn)、振動對外界能子核外的電子（能子）旋轉(zhuǎn)、振動對外界能量子的吸收、發(fā)射造成，所以文獻(xiàn)中經(jīng)常有量子的吸收、發(fā)射造成，所

6、以文獻(xiàn)中經(jīng)常有旋轉(zhuǎn)帶旋轉(zhuǎn)帶(光譜帶光譜帶)、振動帶、振動、振動帶、振動旋轉(zhuǎn)帶輻旋轉(zhuǎn)帶輻射的概念。射的概念。對核外電子（能子）的躍遷發(fā)射的光譜波長較對核外電子（能子）的躍遷發(fā)射的光譜波長較短，可見光。短，可見光。2022-5-97氣體輻射的微觀理論簡介以能級躍遷為例以能級躍遷為例v譜線位置：譜線位置：1波數(shù)luEEch介質(zhì)中電磁波波速, ch, Plancks constant2022-5-98譜線增寬v吸收光譜譜線增寬效應(yīng)與譜吸收光譜譜線增寬效應(yīng)與譜線形狀線形狀v 壓力增寬，碰撞引起壓力增寬，碰撞引起v 自然增寬，量子力學(xué)測不準(zhǔn)關(guān)自然增寬，量子力學(xué)測不準(zhǔn)關(guān)系引起系引起v Doppler增寬，多

7、普勒效應(yīng)：向增寬，多普勒效應(yīng)：向著觀察著運動著觀察著運動=正速度，波數(shù)增正速度，波數(shù)增加；波數(shù)減少加；波數(shù)減少=紅移（遠(yuǎn)去，負(fù)紅移（遠(yuǎn)去，負(fù)速度），說明宇宙在膨脹。速度），說明宇宙在膨脹。v單根譜線的吸收與輻射特性單根譜線的吸收與輻射特性2022-5-99光譜法光譜法分為兩類：光譜法分為兩類：v一類是采用高分辨率的光譜實驗，得出一類是采用高分辨率的光譜實驗，得出的方法稱為逐線計算法的方法稱為逐線計算法v一類采用低分辨率的光譜實驗，得出的一類采用低分辨率的光譜實驗，得出的方法稱為譜帶模型法方法稱為譜帶模型法2022-5-910低分辨率的譜帶高分辨率的譜帶2022-5-911逐線計算法如果已知各譜

8、線的中心波數(shù)、線型函數(shù)、半如果已知各譜線的中心波數(shù)、線型函數(shù)、半寬度、線強等譜線參數(shù)，就能計算出所有寬度、線強等譜線參數(shù)，就能計算出所有譜線的吸收系數(shù)。如僅要求氣體在某一波譜線的吸收系數(shù)。如僅要求氣體在某一波數(shù)數(shù)處的光譜吸收系數(shù)，只要將對處的光譜吸收系數(shù)，只要將對處有貢處有貢獻(xiàn)的所有譜線，在獻(xiàn)的所有譜線，在處的譜線光譜吸收系處的譜線光譜吸收系數(shù)疊加就得。這就是逐線計算法的原理。數(shù)疊加就得。這就是逐線計算法的原理。此計算的關(guān)鍵是所有譜線參數(shù)的支撐。此計算的關(guān)鍵是所有譜線參數(shù)的支撐。v美國美國LOWTRAN,HITRAN和法國和法國GEISA數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫庫v美國美國Ontar公司公司2000年年HI

9、TEMP光盤光盤2022-5-912譜帶模型法這類試驗測不出譜線的輻射強度，這類試驗測不出譜線的輻射強度，只能測出只能測出譜帶或某一波長范圍內(nèi)的輻射強度譜帶或某一波長范圍內(nèi)的輻射強度。從而。從而建立起此波數(shù)范圍內(nèi)總輻射強度或發(fā)射率建立起此波數(shù)范圍內(nèi)總輻射強度或發(fā)射率與譜線參數(shù)、譜線分布參數(shù)等的擬合值。與譜線參數(shù)、譜線分布參數(shù)等的擬合值。所以只能計算氣體譜帶或全波長的輻射特所以只能計算氣體譜帶或全波長的輻射特性。性。v窄譜帶模型法，按譜線類型、譜線分布和譜線窄譜帶模型法，按譜線類型、譜線分布和譜線強度的假設(shè)變化規(guī)律的不同，可分為多種窄譜強度的假設(shè)變化規(guī)律的不同，可分為多種窄譜帶模型。帶模型。v寬

10、譜帶模型法，指數(shù)寬譜帶模型。寬譜帶模型法，指數(shù)寬譜帶模型。2022-5-913工程中二氧化碳、水蒸氣輻射特性的計算光譜法得出的結(jié)果比較復(fù)雜，一般工光譜法得出的結(jié)果比較復(fù)雜，一般工程計算中多用由實驗得出的程計算中多用由實驗得出的Hottel發(fā)發(fā)射率線算圖，或?qū)⒐庾V法得出的結(jié)果射率線算圖，或?qū)⒐庾V法得出的結(jié)果簡化為比較簡單的式子。簡化為比較簡單的式子。介質(zhì)的輻射特性有兩種表示方法：一介質(zhì)的輻射特性有兩種表示方法：一種是用吸收系數(shù)（工程中常忽略散種是用吸收系數(shù)（工程中常忽略散射），另一種用發(fā)射率表示。表示的射），另一種用發(fā)射率表示。表示的形式有：圖、公式、數(shù)據(jù)庫等。形式有：圖、公式、數(shù)據(jù)庫等。202

11、2-5-914參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：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、粒子輻射在自然界與工業(yè)生產(chǎn)中，在自然界與工業(yè)生產(chǎn)中，50%以上的產(chǎn)品或以上的產(chǎn)品或中間體呈顆粒狀。分析各種電磁波在其中中間體呈顆粒狀。分析各種電磁波在其中的傳遞，研究其輻射性質(zhì)，用光學(xué)手段來的傳遞，研究其輻射性質(zhì)，用光學(xué)手段來測量其幾何性質(zhì)等，都需要知道顆粒的輻測量其幾何性質(zhì)等，都需要知道顆粒的輻射特性。射特性。傳熱界注意到粒子輻射，是從煙氣開始的。傳熱界注意到粒子輻射，是從煙氣開始的。在化石燃料燃燒形成的煙氣中，氣體輻射在化石燃料燃燒形成的煙氣中，氣體輻射并不占主要地位，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)與灰粒與灰粒(1020 m)的輻射。的輻射。1940S，爐內(nèi)輻射研究人員用實驗方法求，爐內(nèi)輻射研究人員用實驗方法求粒子的輻射特性粒子的輻射特性吸收系數(shù)。吸收系數(shù)。2022-5-9161871年瑞利年瑞利(英國人，英國人，Lord Rayleigh, 1842-1919)提出了小電介質(zhì)球理論提出了小電介質(zhì)球理論-瑞利散射理瑞利散射理論。小粒子。論。小粒子。1908年米氏年米氏(德國人，德國人，Gustav Mie,1868-1957)通過解通過解Maxwell 方程，得到各向同性均勻方程，得到各向同性均勻球的散射解，后被稱為球的散射解，后被稱為 Mie theory(米氏理米

14、氏理論論)，使粒子散射理論達(dá)到一個新階段。，使粒子散射理論達(dá)到一個新階段。幾何光學(xué)，大粒子。幾何光學(xué)，大粒子。這些理論到這些理論到1960S后移植到輻射傳熱中來。后移植到輻射傳熱中來。 2022-5-917目前粒子熱輻射理論，除用于爐內(nèi)粒子輻目前粒子熱輻射理論，除用于爐內(nèi)粒子輻射外，還用于固體火箭燃燒產(chǎn)物中的氧化射外，還用于固體火箭燃燒產(chǎn)物中的氧化金屬顆粒，流化床中的物粒，微粒絕熱材金屬顆粒，流化床中的物粒，微粒絕熱材料，衣料及保溫纖維，隱身材料中的含微料，衣料及保溫纖維，隱身材料中的含微涂層等的紅外輻射與傳熱計算中。涂層等的紅外輻射與傳熱計算中。2022-5-918粒子熱輻射的特點與類別粒子

15、熱輻射的特點與類別工程中遇到的微粒主要是固體和液體，它的輻射特性與大塊固(液)表面的輻射不同，主要區(qū)別有三點：1、粒子對入射輻射除吸收外，還有散射。我們這兒、粒子對入射輻射除吸收外，還有散射。我們這兒的粒子的散射過程包括反射、衍射、透射等全過的粒子的散射過程包括反射、衍射、透射等全過程。程。衍射是指電磁波遇到障礙物，繞過它，再傳播，而衍射是指電磁波遇到障礙物，繞過它，再傳播，而引起輻射強度重新分布的現(xiàn)象。引起輻射強度重新分布的現(xiàn)象。 2022-5-919如上圖中，入射光線經(jīng)過反射、折射、透射、衍如上圖中，入射光線經(jīng)過反射、折射、透射、衍射后，離開粒子的射線都改變了入射的方向，所射后，離開粒子的

16、射線都改變了入射的方向，所以都稱為粒子散射。顯然這過程與材料的輻射特以都稱為粒子散射。顯然這過程與材料的輻射特性，與粒子的幾何形狀和幾何尺寸有關(guān)。性，與粒子的幾何形狀和幾何尺寸有關(guān)。1散射2022-5-920粒子大小可用尺度參數(shù)粒子大小可用尺度參數(shù)表示。表示。=D/，D為為粒粒子直徑。現(xiàn)有理論都認(rèn)為粒子為球體。子直徑?，F(xiàn)有理論都認(rèn)為粒子為球體。1，大粒子，可用幾何光學(xué)及衍射理論描述。大粒子，可用幾何光學(xué)及衍射理論描述。=1，粒子的電磁場與通過的電磁波相互干擾粒子的電磁場與通過的電磁波相互干擾不能忽略，要用不能忽略，要用Mie理論來計算，這種理論來計算，這種粒子常稱為米氏粒子。粒子常稱為米氏粒子

17、。 1，小粒子，如氣體分子。可用簡化的電磁小粒子，如氣體分子?？捎煤喕碾姶爬碚摾碚?瑞利電磁理論計算。此時的散射通瑞利電磁理論計算。此時的散射通常稱為瑞利散射。常稱為瑞利散射。2光和粒子的相互作用2022-5-9212光和粒子的相互作用(1) 當(dāng)粒子直徑遠(yuǎn)小于入射波長，將形成瑞當(dāng)粒子直徑遠(yuǎn)小于入射波長，將形成瑞利散射，此時，向前半球和向后半球散利散射，此時，向前半球和向后半球散射的能量相同。射的能量相同。(2) 當(dāng)粒子直徑大于入射波長當(dāng)粒子直徑大于入射波長1/10，將適用，將適用Mie散射，盡管散射，盡管Mie理論適用于球形粒子，理論適用于球形粒子，通常也可以用于形狀非規(guī)則的粒子。通常也可以

18、用于形狀非規(guī)則的粒子。(3) 當(dāng)粒子直徑遠(yuǎn)大于入射波長時，須用幾當(dāng)粒子直徑遠(yuǎn)大于入射波長時，須用幾何光學(xué)分析。何光學(xué)分析。2022-5-9223、微粒的單位體積擁有的表面積，要比大、微粒的單位體積擁有的表面積，要比大塊體的大許多，這會收起界面處微結(jié)構(gòu)塊體的大許多，這會收起界面處微結(jié)構(gòu)的變化，所以微粒材料的輻射物性的變化，所以微粒材料的輻射物性復(fù)折射率復(fù)折射率(也稱光學(xué)常數(shù)也稱光學(xué)常數(shù))，要專門測量，要專門測量，不能用大塊材料的不能用大塊材料的n來代替。來代替。 3復(fù)折射率復(fù)折射率2022-5-923工程中粒子不是單個，而是粒子群或粒子工程中粒子不是單個，而是粒子群或粒子系。粒子群要考慮粒子間的相互作用。系。粒子群要考慮粒子間的相互作用。稀稀的粒子群，每個粒子是獨立散射。稀稀的粒子群，每個粒子是獨立散射。非稀疏的粒子群，非獨立散射。非稀疏的粒子群，非獨立散射。粒子群粒子群2022-5-