辐射换热理论基础.ppt

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1、辐射换热理论基础现在学习的是第1页，共47页电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱图6-1现在学习的是第2页，共47页当热辐射投射到物体表面上时，一般会发当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即生三种现象，即吸收吸收、反射反射和和穿透穿透，如图，如图6.5-2所示。所示。3.3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收、反射和穿透 图图6.26.2物体对热辐射的物体对热辐射的吸收反射和穿透吸收反射和穿透现在学习的是第3页，共47页对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：对于黑体：镜体或白体：镜体或白体：透明体：透明体：反射

2、又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种图图6-3 镜反射镜反射图图6-4 漫反射漫反射现在学习的是第4页，共47页1.1.黑体概念黑体概念黑体：黑体：是指是指能吸收投射到其面能吸收投射到其面上的所有热辐射能的物体上的所有热辐射能的物体，是，是一种科学假想的物体，现实生一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的工制造出近似的人工黑体人工黑体。图图6-5 6-5 黑体模型黑体模型6-2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律现在学习的是第5页，共47页辐射力辐射力E 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单位时间内，

3、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。总和。(W/m2)；光谱辐射力光谱辐射力E E：单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长包含某一给定波长)，物体的单位表面，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。积向半球空间发射的能量。(W/m3)；2.2.热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法E、E关系关系:显然，显然，E和和E之间具有如下关系：之间具有如下关系：黑体一般采用下标黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的，黑体的光光谱辐射力谱辐射力为为Eb现在学习的是第6页，共47页3.黑体辐射的三个基本定律及相关性质黑体辐射

4、的三个基本定律及相关性质 式中，式中，波长，波长，m m；T T 黑体温度，黑体温度，K K；c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.742103.74210-16-16 W W m m2 2；c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.4388101.438810-2-2 m m K K；(1)Planck(1)Planck定律定律(第一个定律第一个定律)：图图6-66-6是根据上式描绘的是根据上式描绘的黑体光黑体光谱辐射力谱辐射力随波长和温度的依变随波长和温度的依变关系。关系。mm与与T T 的关系由的关系由WienWien位移定位移定律给出，律给出，图图6-6 Planck 定律

5、的图示定律的图示现在学习的是第7页，共47页8 如不是黑体，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：如金属：当当T T500500C C时，没有可见光，颜色不变；时，没有可见光，颜色不变；T T 增大，其颜色增大，其颜色分别为暗红、鲜红、桔黄和白色分别为暗红、鲜红、桔黄和白色(色温现象色温现象)。用于判断被加热物体的。用于判断被加热物体的温度。温度。例题例题例题例题6-1 6-1 6-1 6-1 试分别计算温度为试分别计算温度为试分别计算温度为试分别计算温度为2000K2000K2000K2000K和和和和5800K580

6、0K5800K5800K的黑体的最大单色辐射力的黑体的最大单色辐射力的黑体的最大单色辐射力的黑体的最大单色辐射力所对应的波长。所对应的波长。所对应的波长。所对应的波长。解：解：解：解：应用应用应用应用WienWienWienWien位移定律位移定律位移定律位移定律 T=2000K T=2000K T=2000K T=2000K 时时时时 maxmax=2.8976=2.8976 1010-3-3/2000=1.45/2000=1.45 mmmm T=5800K T=5800K T=5800K T=5800K 时时时时 maxmax=2.8976=2.8976 1010-3-3/5800=0.5

7、0/5800=0.50 mmmm 常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区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太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区现在学习的是第8页，共47页(2)Stefan-Boltzmann(2)Stefan-Boltzmann定律定律(第二个定律第二个定律)：式中，式中，=5.6610=5.6610-8-8 w/(m w/(m2 2 K K4 4)，是，是Stefan-Boltz

8、mannStefan-Boltzmann常数。常数。(3)(3)黑体辐射函数黑体辐射函数黑体在波长黑体在波长11和和22区段内区段内所发射的辐射力，如图所发射的辐射力，如图6-76-7所示：所示：图图6-7 6-7 特定波长区段内的特定波长区段内的 黑体辐射力黑体辐射力现在学习的是第9页，共47页定定义义：球球面面面面积积除除以以球球半半径径的的平平方方称称为为立立体体角角，单单位位：sr(球球面度面度)，如图，如图6-8和和6-9所示：所示：(4)(4)立体角立体角用用黑体辐射函数黑体辐射函数表示波段区间的辐射能表示波段区间的辐射能:现在学习的是第10页，共47页图图6-8 6-8 立体角定

9、义图立体角定义图现在学习的是第11页，共47页图图6-9 6-9 计算微元立体角的几何关系计算微元立体角的几何关系现在学习的是第12页，共47页定义：定义：单位时间内单位时间内，物体，物体在垂直发射方向的单位面积上在垂直发射方向的单位面积上，在，在单位立单位立体角内体角内发射的一切波长的能量，参见图发射的一切波长的能量，参见图6-106-10。(5)(5)定向辐射强度定向辐射强度L L(,)：图图6-10 6-10 定向辐射强度定向辐射强度 的定义图的定义图(6)Lambert 定律定律(黑体辐射的第黑体辐射的第 三个基本定律三个基本定律)它说明它说明黑体的定向辐射随天顶角黑体的定向辐射随天顶

10、角 呈余弦呈余弦规律变化规律变化，见图，见图6-11，因此，因此，Lambert定律也称为定律也称为余弦定律余弦定律。现在学习的是第13页，共47页图图6-11 Lambert6-11 Lambert定律图示定律图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:E:说明：说明：黑体的定向辐射强度为其总辐射能力的黑体的定向辐射强度为其总辐射能力的1/倍。倍。现在学习的是第14页，共47页 6-3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性1 发射率发射率前面定义了黑体的发射特性：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同温度下，黑体发射

11、热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长最强，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；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；因此，定义了因此，定义了发射率发射率(也称为也称为黑度黑度)：相同温度下，实际相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:现在学习的是第15页，共47页上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表面的发射能力是随面的发射能力是随方向方向和和光谱光谱变化的。变化的。WavelengthDirection(angle from t

12、he surface normal)现在学习的是第16页，共47页因此，我们需要定义因此，我们需要定义方向光谱发射率方向光谱发射率，对于某一指定的方向，对于某一指定的方向(,)和波长和波长 对上面公式在所有波长范围内积分，可得到对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总发射率方向总发射率，即，即实际实际物体的定向辐射强度物体的定向辐射强度与与黑体的定向辐射强度黑体的定向辐射强度之比：之比：现在学习的是第17页，共47页 对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力，光谱辐射力Eb 和定向辐射强度和定向辐射强度L，分别，分别引入了三个修正系数，即，引入了三个修正系数，即，发射率发射率，

13、光谱发射率光谱发射率()和和定向发射率定向发射率()，其表达式和物理意义如下，其表达式和物理意义如下实际物体的辐射力与实际物体的辐射力与黑体辐射力之比黑体辐射力之比:实际物体的光谱辐射力实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之与黑体的光谱辐射力之比：比：实际物体的定向辐射强实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：度之比：现在学习的是第18页，共47页漫发射漫发射的概念：的概念：表面的定向发射率表面的定向发射率 ()与方向无关，即定向辐与方向无关，即定向辐射强度与方向无关射强度与方向无关，满足上述规律的表面称为，满足上述规律的表面称为漫发射面漫发射面，这是对，这是对大

14、多数实际表面的一种很好的近似。大多数实际表面的一种很好的近似。图图6-15 几种金属导体在不同方向上的定向发射率几种金属导体在不同方向上的定向发射率()(t=150)现在学习的是第19页，共47页图图6-16 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率()(t=093.3)现在学习的是第20页，共47页前前面面讲讲过过，黑黑体体、灰灰体体、白白体体等等都都是是理理想想物物体体，而而实实际际物物体体的的辐辐射射特特性性并并不不完完全全与与这这些些理理想想物物体体相相同同，比比如如，(1)(1)实实际际物物体体的的辐辐射射力力与与黑黑体体和和灰灰体体的的辐辐射

15、射力力的的差差别别见见图图6-176-17；(2)(2)实实际际物物体体的的辐辐射射力力并并不不完完全全与与热热力力学学温温度度的的四四次次方方成成正正比比；(3)(3)实实际际物物体体的的定定向向辐辐射射强强度度也也不不严严格格遵遵守守LambertLambert定定律律，等等等等。所所有有这这些些差差别别全全部部归归于于上上面面的的系系数数，因因此此，他他们们一一般般需需要要实实验验来来确确定定，形形式式也也可可能能很很复复杂杂。在在工工程程上上一一般般都都将将真真实实表表面面假设为假设为漫发射面漫发射面。图图6-17 实际物体、黑体和实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱灰体的辐射能量光谱现

16、在学习的是第21页，共47页本节中，还有几点需要注意本节中，还有几点需要注意1.1.将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射非常复杂，很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；难理论确定，仅是一种权宜之计；2.2.服从服从LambertLambert定律的表面称为漫射表面。虽然实际物体的定向发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射率并不完全符合LambertLambert定律，但仍然定律，但仍然近似地认为大多数工近似地认为大多数工程材料服从程材料服从LambertLambert定律定律；3.3.物体表面的发射率取决于物质种类、表

17、面温度和表面状况。这说明物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。这说明发发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。现在学习的是第22页，共47页6-4 6-4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律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情况，那么当外界的辐射投入上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对到物体表面上时，该物体对投入辐射投入辐射吸收的情况又是如何呢吸收的情况又是如何呢？本节将对其作出解答。？本节将对其作出解答。Semi-transparent medium现

18、在学习的是第23页，共47页1.1.投入辐射投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2.2.选择性吸收选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际：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，这叫化，这叫选择性吸收选择性吸收3.3.吸收比吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用 表表 示示，即，即首先介绍几个概念：首先介绍几个概念：现在学习的是第24页，共47页(4)光谱吸收比光谱吸收比：物体对某一特定波长的

19、辐射能所吸收的百分数，：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫也叫单色吸收比单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体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的选择性吸收的特性。图图6-19和和6-20分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。图图6-19 金属导电体的光谱吸收比同波长的关系金属导电体的光谱吸收比同波长的关系现在学习的是第25页，共47页图图6-19 6-19 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系灰体灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投：光

20、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，入辐射的分布如何，吸收比吸收比 都是同一个常数都是同一个常数。现在学习的是第26页，共47页根据前面的定义可知，物体的吸收比除与根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质自身表面性质及及温度温度有有关外，还与关外，还与投入辐射按波长的能量分布投入辐射按波长的能量分布有关。设下标有关。设下标1 1、2 2分别代表分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1 1的吸收比为的吸收比为现在学习的是第27页，共47页如果投入辐射来自黑体，由于如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为，则上

21、式可变为现在学习的是第28页，共47页图图6-21 6-21 物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系现在学习的是第29页，共47页 1859 1859年，年，Kirchhoff Kirchhoff 用热力学方法回答了这个问题，从而提用热力学方法回答了这个问题，从而提出了出了Kirchhoff Kirchhoff 定律定律。发射辐射发射辐射发射辐射发射辐射与与与与吸收辐射吸收辐射吸收辐射吸收辐射之间具有什么样的联系：之间具有什么样的联系：之间具有什么样的联系：之间具有什么样的联系：现在学习的是第30页，共47页 此即此即Kirchhoff Kirchhoff

22、 定律的表达式之一。该式说明，定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡在热力学平衡状态下，物体的吸收率等与它的发射率状态下，物体的吸收率等与它的发射率。但该式具有如下。但该式具有如下限限制制：(1)(1)整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；(2)(2)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；度下的值才能相等；(3)(3)投射辐射源必须是同温度下的黑体投射辐射源必须是同温度下的黑体。为了将为了将Kirchhoff Kirchhoff 定律推向实际的工程应用，人们考察、推定律推向实际的工程应用，人们考

23、察、推导了多种适用条件，形成了导了多种适用条件，形成了该定律不同层次上的表达式该定律不同层次上的表达式，见表见表6-26-2。现在学习的是第31页，共47页层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱，定向光谱，半球光谱，半球全波段，半球全波段，半球无条件，无条件，为天顶角为天顶角漫射表面漫射表面与黑体处于热平衡或对与黑体处于热平衡或对漫灰表面漫灰表面表表6-2 6-2 KirchhoffKirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式注：注：(1)(1)漫射表面漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合即符合La

24、mbertLambert定律的物体表面；定律的物体表面；(2)(2)灰体灰体：指：指光谱吸收比与波长无关的物体光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。现在学习的是第32页，共47页6-5 6-5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算 前前面面讲讲过过，热热辐辐射射的的发发射射和和吸吸收收均均具具有有空空间间方方向向特特性性，因因此此，表表面面间间的的辐辐射射换换热热与与表表面面几几何何形形状状、大大小小和和各各表表面面的的相相对对位位置置等等几几个个因素均有关系

25、，这种因素常用因素均有关系，这种因素常用角系数角系数来考虑。来考虑。1.1.角系数的定义角系数的定义 在介绍角系数概念前，要先温习两个概念在介绍角系数概念前，要先温习两个概念(1)(1)投入辐射投入辐射：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为G G。现在学习的是第33页，共47页下面介绍角系数的概念及表达式。下面介绍角系数的概念及表达式。(1)角角系系数数：有有两两个个表表面面，编编号号为为1和和2，其其间间充充满满透透明明介介质质，则则表表面面1对对表表面面2的的角角系系数数X1,2是是：表表面面1 1直直接接投投射射到到表表面面2 2上上的的

26、能能量量，占表面占表面1 1辐射能量的百分比辐射能量的百分比。即。即(2)有有效效辐辐射射：单单位位时时间间内内离离开开单单位位面面积积的的总总辐辐射射。包包括括了了自自身身的的发发射射辐辐射射E和和反射辐射反射辐射 G。G为投射辐射。为投射辐射。同同理理，也也可可以以定定义义表表面面2对对表表面面1的的角角系系数数。角角系系数数的的应应用用是是有有一定限制条件的，即一定限制条件的，即漫射面、等温、物性均匀漫射面、等温、物性均匀(6-1)现在学习的是第34页，共47页35两个微元表面两个微元表面d dA A1 1和和d dA A2 2，则，则(2)(2)(2)(2)微元面对微元面的角系数微元面

27、对微元面的角系数微元面对微元面的角系数微元面对微元面的角系数现在学习的是第35页，共47页36同理同理可见可见如果表面如果表面d dA A1 1是漫射表面（满足是漫射表面（满足LambertLamberts Laws Law）表面表面d dA A1 1发出的能量发出的能量(6-2a)(6-2a)(6-2b)(6-2b)现在学习的是第36页，共47页37(3)(3)微元面对面的角系数微元面对面的角系数 由角系数的定义可知，微元面由角系数的定义可知，微元面dAdA1 1对面对面A A2 2的的角系数为角系数为微元面微元面dAdA2 2对面对面A1A1的角系数则为的角系数则为(6-3a)(6-3b)

28、现在学习的是第37页，共47页38表面对表面表面对表面同理同理二式比较二式比较 角系数的二个条件：漫射，角系数的二个条件：漫射，L L均匀分布均匀分布 黑体和灰体都满足黑体和灰体都满足 实际物体当灰体，这样处理误差不大实际物体当灰体，这样处理误差不大 此时，角系数只是几何量此时，角系数只是几何量(4)(4)(4)(4)面对面的角系数面对面的角系数面对面的角系数面对面的角系数(6-4a)(6-4a)(6-4b)(6-4b)现在学习的是第38页，共47页2.2.角系数性质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。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)(1)相

29、对性相对性 由式由式(6-2a)(6-2a)和和(6-2b)(6-2b)可以看出可以看出现在学习的是第39页，共47页 由式由式(6-4a)(6-4a)和和(6-4b)(6-4b)也可以看出也可以看出 以上性质被称为角系数的以上性质被称为角系数的相对性相对性。现在学习的是第40页，共47页上式称为角系数的完整性。若表面上式称为角系数的完整性。若表面1 1为非凹表面时，为非凹表面时，X X1,11,1=0=0。图图6.5-3 角系数的完整性角系数的完整性(2)(2)完整性完整性 对于由对于由n n个表面组成的封闭系统，据能量守恒可得个表面组成的封闭系统，据能量守恒可得:现在学习的是第41页，共4

30、7页42值得注意的是，图中的表面值得注意的是，图中的表面2 2对表面对表面1 1的角系数不存在上述的可加性。的角系数不存在上述的可加性。(3)(3)可加性可加性 如图所示，表面如图所示，表面2 2可分为可分为a a和和b b两个面，当然也可以分两个面，当然也可以分 为为n n个面，则角系数的可加性为个面，则角系数的可加性为图图6.5-4 角系数的可加性角系数的可加性现在学习的是第42页，共47页图图6.5-4 角系数的可加性角系数的可加性再来看一下再来看一下2 2 对对 1 1 的能量的能量守恒情况守恒情况:现在学习的是第43页，共47页3 3 角系数的计算方法角系数的计算方法 求求解解角角系

31、系数数的的方方法法通通常常有有直直接接积积分分法法、代代数数分分析析法法、几几何何分分析析法法以以及及Monte-CarloMonte-Carlo法法。直直接接积积分分法法的的结结果果见见公公式式(6-2)-(6-4)(6-2)-(6-4)。下下面面只给出代数分析法。只给出代数分析法。代代数数分分析析法法是是利利用用角角系系数数的的各各种种性性质质，获获得得一一组组代代数数方方程程，通通过过求求解解获获得得角角系系数数。值值得得注注意意的的是是，(1)(1)利利用用该该方方法法的的前前提提是是系系统统一一定定是是封封闭闭的的，如如果果不不封封闭闭可可以以做做假假想想面面，令令其其封封闭闭；(2

32、)(2)凹凹面面的的数数量量必必须须与不可见表面数相等与不可见表面数相等。现在学习的是第44页，共47页45例：三个非凹表面构成的封闭系统，如图例：三个非凹表面构成的封闭系统，如图完整性完整性：相对性相对性：六个方程六个未知数可解得：六个方程六个未知数可解得：(1)(1)(1)(1)代数分析法代数分析法代数分析法代数分析法现在学习的是第45页，共47页46例：任意两个不相交非凹表面，如图例：任意两个不相交非凹表面，如图做辅助线做辅助线acac，bdbd由完整性：由完整性：或或再作辅助线再作辅助线adad、bcbc，则成为两个三表面封闭系统。，则成为两个三表面封闭系统。于是于是A1A2现在学习的是第46页，共47页47(3)(3)图图表法（法（p157p157）将常见结构做成图以便查阅将常见结构做成图以便查阅(2)(2)积分法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。直接用角系数的公式进行积分得出，此法较繁琐，应用不多。现在学习的是第47页，共47页