第12章-辐射换热.ppt

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1、吸收比吸收比吸收比吸收比 反射比反射比反射比反射比透射比透射比透射比透射比 根据能量守恒根据能量守恒根据能量守恒根据能量守恒，如果投入辐射是某一波长如果投入辐射是某一波长如果投入辐射是某一波长如果投入辐射是某一波长 的辐射能的辐射能的辐射能的辐射能G G ，则，则，则，则 光谱吸收比光谱吸收比光谱吸收比光谱吸收比 光谱反射比光谱反射比光谱反射比光谱反射比 光谱透射比光谱透射比光谱透射比光谱透射比 注意两点：注意两点：（1 1 1 1）属属属属于于于于物物物物体体体体的的的的辐辐辐辐射射射射特特特特性性性性，取取取取决决决决于于于于物物物物体的种类、温度和表面状况，是波长的函数。体的种类、温度和

2、表面状况，是波长的函数。体的种类、温度和表面状况，是波长的函数。体的种类、温度和表面状况，是波长的函数。不不不不仅仅仅仅取取取取决决决决于于于于物物物物体体体体的的的的性性性性质质质质，还还还还与与与与投投投投射射射射辐辐辐辐射射射射能的波长分布有关。能的波长分布有关。能的波长分布有关。能的波长分布有关。（2 2 2 2）固固固固体体体体和和和和液液液液体体体体对对对对辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的吸吸吸吸收收收收和和和和反反反反射射射射基基基基本本本本上上上上属属属属于表面效应。于表面效应。于表面效应。于表面效应。镜反射镜反射与与漫反射：漫反射：产产产产生生生生何何何何种种种种反反反反射射

3、射射决决决决于于于于物物物物体体体体表表表表面面面面的的的的粗粗粗粗糙糙糙糙尺尺尺尺度度度度和和和和投投投投射射射射辐射能的波长辐射能的波长辐射能的波长辐射能的波长 。(a)(a)镜反射镜反射 (b)(b)漫反射漫反射 绝大数工程材料对热辐射的发射都近似漫发射。绝大数工程材料对热辐射的发射都近似漫发射。绝大数工程材料对热辐射的发射都近似漫发射。绝大数工程材料对热辐射的发射都近似漫发射。12.1.2 灰体与黑体灰体与黑体 灰体灰体灰体灰体：光光光光谱谱谱谱辐辐辐辐射射射射特特特特性性性性不不不不随随随随波波波波长长长长而而而而变变变变化化化化的的的的假假假假想想想想物物物物体体体体，即即即即 分

4、别等于常数。分别等于常数。分别等于常数。分别等于常数。工程常见的温度范围（工程常见的温度范围（2000K)2000K)内，一般工程材内，一般工程材料的光谱吸收比基本与波长无关，所以料的光谱吸收比基本与波长无关，所以 工业上的辐射工业上的辐射传热计算一般都按灰体处理。传热计算一般都按灰体处理。注意：注意：黑体、白体与黑色、黑体、白体与黑色、黑体、白体与黑色、黑体、白体与黑色、白色物体的区别。白色物体的区别。白色物体的区别。白色物体的区别。吸吸收收比比=1的的物物体体，简简称称黑黑体体。黑体和灰体一样，是一种理想物体。黑体和灰体一样，是一种理想物体。人工黑体模型人工黑体模型人工黑体模型人工黑体模型

5、 镜体镜体（白体）：（白体）：（白体）：（白体）：=1=1 绝对透明体绝对透明体 ：=1=1 绝对黑体绝对黑体：白天从远处看房屋的窗户有白天从远处看房屋的窗户有白天从远处看房屋的窗户有白天从远处看房屋的窗户有黑洞洞的感觉黑洞洞的感觉黑洞洞的感觉黑洞洞的感觉雪对可见光是良好的反射体，对雪对可见光是良好的反射体，对雪对可见光是良好的反射体，对雪对可见光是良好的反射体，对肉眼是白色的，但对红外线几乎肉眼是白色的，但对红外线几乎肉眼是白色的，但对红外线几乎肉眼是白色的，但对红外线几乎能全部吸收能全部吸收能全部吸收能全部吸收12.1.3 辐射强度辐射强度 辐辐辐辐射射射射强强强强度度度度说说说说明明明明

6、物物物物体体体体表表表表面面面面在在在在空空空空间间间间某某某某个个个个方方方方向向向向上上上上发发发发射射射射辐辐辐辐射能的多少。射能的多少。射能的多少。射能的多少。立体角立体角立体角立体角：半半半半径径径径为为为为r r的的的的球球球球面面面面上上上上面面面面积积积积A A与与与与球球球球心心心心所所所所对对对对应应应应的空间角度。的空间角度。的空间角度。的空间角度。单单单单位位位位为为为为SrSr（球球球球面面面面度度度度），半半半半球球球球空空空空间立体角为间立体角为间立体角为间立体角为 2 2 sr sr立体角在球面上所围的面积与半径的平方成正比。立体角在球面上所围的面积与半径的平方

7、成正比。（，）方方方方向向向向上上上上的的的的微微微微元元元元面面面面积积积积dAdA2 2对对对对球球球球心心心心所所所所占占占占的微元立体角的微元立体角的微元立体角的微元立体角 drsin辐射强度辐射强度：单单单单位位位位时时时时间间间间内内内内从从从从单单单单位位位位投投投投影影影影面面面面积积积积（可可可可见见见见面面面面积积积积）所所所所发发发发出出出出的的的的包包包包含含含含在在在在单单单单位位位位立体角内的辐射能。立体角内的辐射能。立体角内的辐射能。立体角内的辐射能。称称称称为为为为dAdA1 1在在在在（，）方方方方向向向向的的的的辐辐辐辐射射射射强强强强度度度度，或或或或称称

8、称称为为为为定定定定向向向向辐辐辐辐射射射射强强强强度度度度，单单单单位位位位是是是是W/W/(m(m2 2 Sr)Sr)。辐辐辐辐射射射射强强强强度度度度的的的的大大大大小小小小不不不不仅仅仅仅取取取取决决决决于于于于物物物物体体体体种种种种类类类类、表表表表面面面面性性性性质质质质、温温温温度度度度，还还还还与与与与方方方方向向向向有有有有关关关关。对对对对于于于于各各各各向向向向同同同同性性性性的的的的物物物物体体体体表表表表面面面面，辐辐辐辐射射射射强度与经度角强度与经度角强度与经度角强度与经度角 无关无关无关无关,对对某某一一波波长长辐辐射射能能而而言言的的辐辐射强度。射强度。光谱辐

9、射强度光谱辐射强度：辐射强度与光谱辐射强度之间的关系辐射强度与光谱辐射强度之间的关系辐射强度与光谱辐射强度之间的关系辐射强度与光谱辐射强度之间的关系 光谱辐射强度的单位为光谱辐射强度的单位为光谱辐射强度的单位为光谱辐射强度的单位为W/(mW/(m3 3 Sr)Sr)或或或或W/(mW/(m2 2mm Sr)Sr)。12.1.4 辐射力辐射力 在在在在单单单单位位位位时时时时间间间间内内内内，每每每每单单单单位位位位面面面面积积积积表表表表面面面面向向向向其其其其上上上上半半半半球球球球空空空空间间间间发发发发射的射的射的射的全部波长全部波长全部波长全部波长的辐射能。用的辐射能。用的辐射能。用的

10、辐射能。用E E表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为W/mW/m2 2。光谱辐射力光谱辐射力光谱辐射力光谱辐射力：某某某某一一一一波波波波长长长长辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的辐辐辐辐射射射射力力力力用用用用E E 表表表表示示示示，单单单单位位位位为为为为W/mW/m3 3。辐射力与光谱辐射力之间的关系辐射力与光谱辐射力之间的关系辐射力与光谱辐射力之间的关系辐射力与光谱辐射力之间的关系 定向辐射力定向辐射力定向辐射力定向辐射力：在在在在单单单单位位位位时时时时间间间间内内内内，单单单单位位位位面面面面积积积积表表表表面面面面向向向向某某某某方方方方向向向向发发发发射射射射的的的

11、的单单单单位位位位立立立立体体体体角角角角内内内内的的的的辐辐辐辐射射射射能能能能。用用用用E E 表表表表示示示示，单单单单位位位位为为为为W/W/(m(m2 2 sr)sr)。定向辐射力定向辐射力定向辐射力定向辐射力与与与与辐射力辐射力辐射力辐射力之间的关系：之间的关系：之间的关系：之间的关系：定向辐射力定向辐射力定向辐射力定向辐射力与与与与辐射强度辐射强度辐射强度辐射强度之间的关系：之间的关系：之间的关系：之间的关系：辐射力辐射力辐射力辐射力与与与与辐射强度辐射强度辐射强度辐射强度之间的关系：之间的关系：之间的关系：之间的关系：12.2 12.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 1

12、.1.普朗克（普朗克（M.PlanckM.Planck）定律）定律 2.2.斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)定律定律 3.3.兰贝特（兰贝特（LambertLambert）定律）定律12.2.1 普朗克定律普朗克定律C1=3.74310-16 Wm2;C2=1.43910-2 mK。特点：特点：特点：特点：（1 1 1 1）温温温温度度度度愈愈愈愈高高高高，同同同同一一一一波波波波长长长长下下下下的光谱辐射力愈大；的光谱辐射力愈大；的光谱辐射力愈大；的光谱辐射力愈大；（2 2 2 2）在在在在一一一一定定定定的的的的温温温温度

13、度度度下下下下，黑黑黑黑体体体体的的的的光光光光谱谱谱谱辐辐辐辐射射射射力力力力在在在在某某某某一一一一波波波波长长长长下具有最大值；下具有最大值；下具有最大值；下具有最大值；（3 3 3 3）随随随随着着着着温温温温度度度度的的的的升升升升高高高高，E Eb b 取取取取得得得得最最最最大大大大值值值值的的的的波波波波长长长长 maxmax愈愈愈愈来来来来愈小，即在愈小，即在愈小，即在愈小，即在 坐标中的位置向短波方向移动。坐标中的位置向短波方向移动。坐标中的位置向短波方向移动。坐标中的位置向短波方向移动。维恩维恩（Wien）位移定律位移定律:太太太太阳阳阳阳表表表表面面面面温温温温度度度度

14、约约约约为为为为5800K5800K，由由由由上上上上式式式式可可可可求求求求得得得得 maxmax=0.5=0.5 mm，位位位位于于于于可可可可见见见见光光光光范范范范围围围围内内内内，可可可可见见见见光光光光占占占占太太太太阳阳阳阳辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的份份份份额额额额约为约为约为约为44.6%44.6%。对对对对于于于于2000K2000K温温温温度度度度下下下下黑黑黑黑体体体体,可可可可求求求求得得得得 maxmax=1.45=1.45 mm，位位位位于红外线范围内。于红外线范围内。于红外线范围内。于红外线范围内。12.2.212.2.2 斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定

15、律 斯忒藩斯忒藩斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律表达式：玻耳兹曼定律表达式：玻耳兹曼定律表达式：玻耳兹曼定律表达式：式式式式中中中中 =5.67105.6710-8-8 W/(mW/(m2 2 K K4 4)，称称称称为为为为斯斯斯斯忒忒忒忒藩藩藩藩玻玻玻玻耳耳耳耳兹兹兹兹曼曼曼曼常数常数常数常数，又称为，又称为，又称为，又称为黑体辐射常数黑体辐射常数黑体辐射常数黑体辐射常数。（四次方定律）（四次方定律）（四次方定律）（四次方定律）斯忒藩斯忒藩斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律表达式可直接由下式导出表达式可直接由下式导出表达式可直接由下式导出表达式可直接由下式导出 ：波段辐射

16、力波段辐射力波段辐射力波段辐射力 波段辐射力波段辐射力波段辐射力波段辐射力 占黑体辐射力占黑体辐射力占黑体辐射力占黑体辐射力E Eb b的百分数的百分数的百分数的百分数 根据普朗克定律表达式，根据普朗克定律表达式，根据普朗克定律表达式，根据普朗克定律表达式，利利利利用用用用黑黑黑黑体体体体辐辐辐辐射射射射函函函函数数数数数数数数值值值值表表表表(p241(p241(p241(p241表表表表12-1)12-1)12-1)12-1)可可可可以以以以很很很很容容容容易易易易地地地地用用用用下下下下式式式式计计计计算算算算黑黑黑黑体体体体在在在在某某某某一一一一温温温温度度度度下下下下发发发发射射射

17、射的的的的任任任任意意意意波波波波段段段段的的的的辐辐辐辐射射射射能量。能量。能量。能量。称称称称为为为为黑黑黑黑体体体体辐辐辐辐射射射射函函函函数数数数，表表表表示示示示温温温温度度度度为为为为T T 的的的的黑黑黑黑体体体体所所所所发发发发射射射射的的的的辐辐辐辐射射射射能能能能中中中中在在在在波波波波段段段段（0 0）内内内内的的的的辐辐辐辐射射射射能能能能所所所所占占占占的的的的百百百百分分分分数。数。数。数。12.2.3 12.2.3 兰贝特定律兰贝特定律 兰兰兰兰贝贝贝贝特特特特定定定定律律律律:黑黑黑黑体体体体的的的的辐辐辐辐射射射射强强强强度度度度与与与与方方方方向向向向无无无

18、无关关关关，半半半半球球球球空空空空间各方向上的辐射强度都相等。间各方向上的辐射强度都相等。间各方向上的辐射强度都相等。间各方向上的辐射强度都相等。漫发射体漫发射体漫发射体漫发射体：空间各个方向上辐射强度都相等的物体。空间各个方向上辐射强度都相等的物体。空间各个方向上辐射强度都相等的物体。空间各个方向上辐射强度都相等的物体。根据定向辐射力与辐射强度的关系根据定向辐射力与辐射强度的关系根据定向辐射力与辐射强度的关系根据定向辐射力与辐射强度的关系 E En n为为为为表表表表面面面面法法法法线线线线方方方方向向向向的的的的定定定定向向向向辐辐辐辐射射射射力力力力。兰兰兰兰贝贝贝贝特特特特定定定定律

19、律律律也也也也称称称称为为为为余弦定律余弦定律余弦定律余弦定律。根据辐射力与辐射强度的关系可求得根据辐射力与辐射强度的关系可求得根据辐射力与辐射强度的关系可求得根据辐射力与辐射强度的关系可求得 12.3 实际物体的辐射特性与基尔霍夫定律实际物体的辐射特性与基尔霍夫定律12.3.1 12.3.1 实际物体的发射特性实际物体的发射特性 发射率发射率发射率发射率（黑度黑度黑度黑度）：）：）：）：发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。光谱发射率光谱发射率光谱发射率光谱发射率（光谱黑

20、度光谱黑度光谱黑度光谱黑度）：）：）：）：发射率发射率发射率发射率与与与与光谱发射率光谱发射率光谱发射率光谱发射率之间的关系为之间的关系为之间的关系为之间的关系为 对于灰体，对于灰体，对于灰体，对于灰体，常数常数常数常数，同温度同温度同温度同温度 在在在在工工工工程程程程计计计计算算算算中中中中，实实实实际际际际物物物物体的辐射力可以由下式计算体的辐射力可以由下式计算体的辐射力可以由下式计算体的辐射力可以由下式计算 实实实实际际际际物物物物体体体体的的的的辐辐辐辐射射射射力力力力并并并并不不不不严严严严格格格格遵遵遵遵循循循循四四四四次次次次方方方方定定定定律律律律，所所所所存存存存在在在在的

21、的的的偏偏偏偏差差差差包包包包含含含含在在在在由由由由实实实实验验验验确确确确定定定定的的的的发发发发射射射射率数值之中。率数值之中。率数值之中。率数值之中。定向发射率定向发射率定向发射率定向发射率（定向黑度定向黑度定向黑度定向黑度）：）：）：）：实实实实际际际际物物物物体体体体不不不不是是是是漫漫漫漫发发发发射射射射体体体体，定定定定向向向向发发发发射射射射率率率率是方向角是方向角是方向角是方向角 的函数。的函数。的函数。的函数。12.3.2 实际物体的吸收特性实际物体的吸收特性 实实实实际际际际物物物物体体体体的的的的光光光光谱谱谱谱吸吸吸吸收收收收比比比比也也也也与与与与黑黑黑黑体体体体

22、、灰灰灰灰体体体体不不不不同同同同，是是是是波长的函数。波长的函数。波长的函数。波长的函数。几种金属材料的光谱吸收比几种金属材料的光谱吸收比几种金属材料的光谱吸收比几种金属材料的光谱吸收比几种非金属材料的光谱吸收比几种非金属材料的光谱吸收比几种非金属材料的光谱吸收比几种非金属材料的光谱吸收比 辐辐辐辐射射射射特特特特性性性性随随随随波波波波长长长长变变变变化化化化的的的的性性性性质质质质称称称称为为为为辐辐辐辐射射射射特特特特性性性性对对对对波波波波长长长长的的的的选选选选择择择择性性性性。实实实实际际际际物物物物体体体体的的的的吸吸吸吸收收收收比比比比不不不不仅仅仅仅取取取取决决决决于于于于

23、物物物物体体体体本本本本身身身身材材材材料料料料的的的的种种种种类类类类、温温温温度度度度及及及及表表表表面面面面性性性性质质质质，还还还还和和和和投投投投入入入入辐辐辐辐射射射射的的的的波波波波长长长长分分分分布有关，因此和投入辐射能的发射体温度有关。布有关，因此和投入辐射能的发射体温度有关。布有关，因此和投入辐射能的发射体温度有关。布有关，因此和投入辐射能的发射体温度有关。12.3.3 基尔霍夫基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律定律 基基基基尔尔尔尔霍霍霍霍夫夫夫夫定定定定律律律律揭揭揭揭示示示示了了了了物物物物体体体体吸吸吸吸收收收收辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的能能能能力力力

24、力与与与与发发发发射辐射能的能力之间的关系，其表达式为射辐射能的能力之间的关系，其表达式为射辐射能的能力之间的关系，其表达式为射辐射能的能力之间的关系，其表达式为 说说说说明明明明吸吸吸吸收收收收辐辐辐辐射射射射能能能能能能能能力力力力愈愈愈愈强强强强的的的的物物物物体体体体的的的的发发发发射射射射辐辐辐辐射射射射能能能能能能能能力力力力也也也也也也也也愈愈愈愈强强强强。在在在在温温温温度度度度相相相相同同同同的的的的物物物物体体体体中中中中，黑黑黑黑体体体体吸吸吸吸收收收收辐辐辐辐射射射射能能能能的能力最强，发射辐射能的能力也最强。的能力最强，发射辐射能的能力也最强。的能力最强，发射辐射能的

25、能力也最强。的能力最强，发射辐射能的能力也最强。对于漫射体，辐射特性与方向无关，对于漫射体，辐射特性与方向无关，对于漫射体，辐射特性与方向无关，对于漫射体，辐射特性与方向无关，对于漫射、灰体，辐射特性与波长无关，对于漫射、灰体，辐射特性与波长无关，对于漫射、灰体，辐射特性与波长无关，对于漫射、灰体，辐射特性与波长无关，12.4 辐射换热的计算方法辐射换热的计算方法 12.4.1 角系数角系数 假设假设假设假设：（1 1 1 1）进进进进行行行行辐辐辐辐射射射射换换换换热热热热的的的的物物物物体体体体表表表表面面面面之之之之间间间间是是是是不不不不参参参参与与与与辐辐辐辐射射射射的介质的介质的介

26、质的介质(单原子或结构对称的双原子气体、空气单原子或结构对称的双原子气体、空气单原子或结构对称的双原子气体、空气单原子或结构对称的双原子气体、空气)或真空；或真空；或真空；或真空；（2 2 2 2）每个表面都是漫射、灰体或黑体表面；每个表面都是漫射、灰体或黑体表面；每个表面都是漫射、灰体或黑体表面；每个表面都是漫射、灰体或黑体表面；（3 3 3 3）每每每每个个个个表表表表面面面面的的的的温温温温度度度度、辐辐辐辐射射射射特特特特性性性性及及及及投投投投入入入入辐辐辐辐射射射射分分分分布布布布均匀。均匀。均匀。均匀。1.1.1.1.定义定义定义定义 从从从从表表表表面面面面1 1 1 1发发发

27、发出出出出的的的的总总总总辐辐辐辐射射射射能能能能中中中中落落落落到到到到表表表表面面面面2 2 2 2上上上上份份份份额额额额称称称称为为为为表表表表面面面面1 1 1 1对对对对表表表表面面面面2 2 2 2的的的的角角角角系系系系数数数数，用用用用符符符符号号号号X X1212表示。表示。表示。表示。假假假假设设设设表表表表面面面面1 1、2 2都都都都是是是是黑黑黑黑体体体体表表表表面面面面，根根根根据据据据辐辐辐辐射射射射强强强强度度度度的的的的定定定定义义义义，单位时间内从单位时间内从单位时间内从单位时间内从dAdA1 1发射到发射到发射到发射到dAdA2 2上的辐射能为上的辐射能

28、为上的辐射能为上的辐射能为从整个表面从整个表面从整个表面从整个表面1 1 1 1发射到表面发射到表面发射到表面发射到表面2 2 2 2的辐射能为的辐射能为的辐射能为的辐射能为 r 根据角系数的定义根据角系数的定义根据角系数的定义根据角系数的定义,角系数角系数角系数角系数X X1 1,2 2和和和和X X2,12,1分别为分别为分别为分别为 角角角角系系系系数数数数是是是是纯纯纯纯几几几几何何何何量量量量，只只只只取取取取决决决决于于于于两两两两个个个个物物物物体体体体表表表表面面面面的的的的几几几几何形状、大小和相对位置。何形状、大小和相对位置。何形状、大小和相对位置。何形状、大小和相对位置。

29、角系数的基本属性：角系数的基本属性：角系数的基本属性：角系数的基本属性：2.2.2.2.角系数的性质角系数的性质角系数的性质角系数的性质 1 1 1 1）相对性（互换性）相对性（互换性）相对性（互换性）相对性（互换性）：2 2 2 2）完整性）完整性）完整性）完整性：（从有限面积到有限面积）（从有限面积到有限面积）（由（由n个表面组成的封闭系统）个表面组成的封闭系统）非凹表面：非凹表面：Xi,i=0 3 3 3 3）角系数的可加性）角系数的可加性）角系数的可加性）角系数的可加性：3.3.3.3.角系数的计算方法角系数的计算方法角系数的计算方法角系数的计算方法 有积分法、代数法、图解法有积分法、

30、代数法、图解法有积分法、代数法、图解法有积分法、代数法、图解法(或投影法或投影法或投影法或投影法)等等等等 1 1 1 1）积分法）积分法）积分法）积分法：根据角系数表达式通过积分运算求得角系数根据角系数表达式通过积分运算求得角系数根据角系数表达式通过积分运算求得角系数根据角系数表达式通过积分运算求得角系数 结果查有关手册（结果查有关手册（结果查有关手册（结果查有关手册（p249p249p249p249表表表表12-312-312-312-3）2 2 2 2）代数法）代数法）代数法）代数法：利利利利用用用用角角角角系系系系数数数数的的的的定定定定义义义义及及及及性性性性质质质质,通通通通过代数运算确定角系数。过代数运算确定角系数。过代数运算确定角系数。过代数运算确定角系数。图图图图(a a)、(b b)：图图图图(c c)：图图图图(d d)：三个非凹表面构成的封闭空腔三个非凹表面构成的封闭空腔三个非凹表面构成的封闭空腔三个非凹表面构成的封闭空腔 交叉线法交叉线法交叉线法交叉线法根据角系数的完整性，有：根据角系数的完整性，有：根据角系数的完整性，有：根据角系数的完整性，有：其中：其中：其中：其中：则：则：则：则：文字表述：文字表述：文字表述：文字表述：本章结束本章结束