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第8章热辐射基本定律和辐射特性

课堂讲解

课后作业

【8-10】一等温空腔的内表面为漫射体，并维持在均匀的温度。其上有一个面积为0.022

m 的小孔，小孔面积相对于空腔内表面积可以忽略。今测得小孔向外界辐射的能量为70W ，试确定空腔内表面的温度。如果把空腔内表面全部抛光，而温度保持不变，问这一小孔向外的辐射有何影响？

【解】小孔可以当做黑体来处理，4T A Φσ=

498.4496K

.01067.570

484

b =??==-A E T σ 小孔的黑体特性与空腔的内表面的性质无关，故不影响小孔向外的辐射。

【8-18】暖房的升温作用可以从玻璃的光谱穿透比变化特性解释。有一块厚为3mm 的玻璃，经测定，其对波长为0.3～2.5μm 的辐射能的穿透比为0.9，而对其他波长的辐射能可以认为完全不穿透。试据此计算温度为5800K 的黑体辐射及温度为300K 的黑体辐射投射到该玻璃上时各自的总穿透比。

【解】

()()()()()()()()

[]

12212

~0b ~0b ~b b

b b b b

b b

b 0

9.09.0d 9

.0d 9.0d d d d d λλλλλλ

λλλλλλ

λλ

λλλλλλλλ

λλτλ

λτλ

λτλλτλλττF F F E E E E E E E E E E E E E E -====

==???????∞

∞

T 1=5800K ，K m 174058003.011?=?=μλT ，K m 1450058005.212?=?=μλT

()0.032854

1~0b =λF ，()0.9660652~0b =λF ()()[][]0.8398899032854

.0966065.09.09.01

~0b ~0b =-=-=λλτF F T 2=300K ，K m 903003.011?=?=μλT ，K m 0573005.212?=?=μλT

()0.0000288

1~0b =λF ，()0.000242~0b =λF ()()[][]0.000190080.0000288

0.000249.09.01

~0b ~0b =-=-=λλτF F

【8-21】温度为310K 的4个表面置于太阳光的照射下，设此时各表面的光谱吸收比随波

长的变化如附图所示。试分析，在计算与太阳能的交换时，哪些表面可以作为灰体处理？为什么？

【解】太阳辐射能的绝大部分集中在2μm 以下的区域，温度为310K 的物体辐射能则绝大部分在6μm 以上的红外辐射，由图可见，第一种情形与第三种情形，上述波段范围内单色吸收率相同，因而可以作为灰体处理。

【8-23】已知一表面的光谱吸收比与波长关系如附图所示，在某一瞬间，测得表面温度为1100K 。投入辐射G λ按长分布的情形示于附图b 。试：

(1) 计算单位表面积所吸收的辐射能； (2) 计算该表面的发射率及辐射力；

(3) 确定在此条件下物体表面的温度随时间如何变化，设物体无内热源，没有其他形式的热量传递。

【解】(1)

()()()()()

33223

343

330

m W 101146102.32

34108.023104.0d 10

2.3d 108.0d 10

4.0d 1048.0d 108.0d 104.0d 8.0d 4.0d d d d ?=-??+-??+??=?+?+?=??+?+?=+=++==?

??????????∞

∞

λλλλλ

λλλαλλαλλαλλαλλλλλλG G G G G G G

(2)

()()()()()()()

()()()[]

()()

3~0b 6~0b 3~0b 6~0b 3~0b 6~3b 3~0b b

b b

b 3

b b

b 63

b 3

b b

b 4.08.08.04.08.04.0d 8

.0d 4

.0d 8.0d d d d d d F F F F F F F E E E E E E E E E E E E E E E -=-+=+=+=+=

++=

???????

∞

λλ

λαλλαλλαλ

λαλ

λεελλλλλλλλλ

T =1100K ，K m 3003110031?=?=μλT ，K m 0066110062?=?=μλT

()0.34009

3~0b =F ，()0.783166~0b =F ()()0.490492

0.340094.00.783168.04.08.03~0b 6~0b =?-?=-=F F ε 23484m W 1040.717911001067.50.490492?=???==-T E εσ

(3) G E >，所以在此条件下物件表面的温度随时间的延长而降低。

【8-24】一测定物体表面辐射特性的装置示于附图中。空腔内维持在均匀温度T f =1000K ；腔壁是漫灰体ε=0.8，腔内1000K 的热空气与试样表面间的对流换热表面传热系数h =10W/(m 2?K)；试样的表面温度用冷却水维持，恒为300℃。试样表面的光谱反射比示于附图。试：(1) 计算试样的吸收比；(2) 确定其发射率；(3) 计算冷却水带走的热量。试样表面A =5cm 2。

【解】(1)

()()()()()[]()()()[]()()()()()()()

()()()()()()()()()()

()()()()()()[]()()()[]

()

4~0b 4~0b 4~0b ~4b 4~0b f b 4f b f b 40f b f b 4f b f b 40f b f b 4f b f b 40f b f b 0

f b f b 0

f b f b 0f b f b 0

f b f b 0f b 6.02.018.02.018.02.01d 8.0d 2.01d 8.0d 2.01d ,d ,1d ,d d ,1d ,1d ,F F F F F T E T E T E T E T E T E T E T E T E T E T T E T E T T E T E T T E T E T E T E T T E T E T T E T E T T +=-+-=+-=??????????+-=????

??????+-=??????????+-=-=-=

-==∞∞

∞

∞∞

∞

???????????λλλλλλρλλρλλρλλλρλλρλ

λααλλλλλλλλλλλT f =1000K ，K m 000410004f ?=?=μλT ，()0.480854~0b =F

()0.48851

0.480856.02.06.02.04~0b =?+=+=F α (2)

()()()()()()()

()[]()()()[]()()

()()

()()()

()()()()()()

()()()()()()()()()()[]()()()[]

()

4~0b 4~0b 4~0b ~4b 4~0b b 4b b 40b b 4

b b 40

b b 4

b b 40b b 0

b 0

b b 0b b 0

b b 0

b 6.02.018.02.018.02.01d 8.0d 2.01d 8.0d 2.01d ,d ,1d ,d d ,1d ,1d ,d ,F F F F F T E T E T E T E T E T E T E T E T E T E T T E T E T T E T E T T E T E T E T E T T E T E T T E T E T T E T E T T +=-+-=+-=??????????+-=????

????

-=?????

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-==

∞∞

∞

∞∞

∞

∞∞

∞

???

??????

λλλλ

λλρλ

λρλλρλλλρλλρλ

λαλ

λεελλλλ

λλλλλλλλ

T f =273+300=573K ，K m 22925734f ?=?=μλT ，()0.1184888

4~0b =F ()0.27109328

0.11848886.02.06.02.04~0b =?+=+=F ε

(3) 冷却水带走的热量为：r c ΦΦΦ+=

()()[]W 2.1353002731000101054f c =+-???=-=-T T Ah Φ ()()[][][]

(

)

13.02W

5730.2710932810000.488511067.51054

44f 44f b f b r =?-?????=-=-=-=--T T A T T A T E T E A εασεσασεαΦ 15.16W 02.13135.2r c =+=+=ΦΦΦ

【8-26】为了考验高温陶瓷涂层材料使用的可靠性，专门设计了一个试验，如附图所示。已知辐射探头表面积A d =10m 2，陶瓷涂层表面积A c =10-4m 2。金属基板底部通过加热维持在T 2=1500K ，腔壁温度均匀且T w =90K 。陶瓷厚δ1=5mm ，λ1=60W/(m?K)；基板厚为δ2=8mm ，λ2=30W/(m?K)。陶瓷表面是漫灰的，ε=0.8。陶瓷涂层与金属基板间无接触热阻。试确定：(1) 陶瓷表面的温度T 1及表面热流密度；(2) 置于空腔顶部的辐射能检测器（辐射探头）所接受到的由陶瓷表面发射出去的辐射能量；(3) 经过多次试验后，在陶瓷涂层与基板之间产生了很多小裂纹，形成了接触热阻，但T w 及陶瓷涂层表面的辐射热流密度及发射率均保持不变，此时温度T 1及T 2是增加、降低，还是不变？

【解】如图所示：

(1) 稳态运行时，电热器发出之热通过导热传导到陶瓷表面上，再通过辐射传递到腔壁四周，设陶瓷表面温度为T 2，则有

()4

41c 2

1112c T T A T T A -=+-εσλδλδ

()

44183

901067.58.030

8601051500-???=?+?--T T 用试凑法或计算机迭代，解得： K 14332=T

(2) 对于漫灰体，兰贝特定律

εεθΩΦ

b b cos d d d E I I A ===? π

θΩεΦcos d d d b A E ?=

由于辐射探头面积A d 和陶瓷涂层表面积A c 都很小，可按照微元面积来处理，面积A d 可构成微元角，则

sr 101

10d 525

2d --===R A Ω， 24c m 10d -==A A

面积A d 与面积A c 平行且共法线，所以θ=0

W 106.0880cos 101015001067.58.0cos d d d 5454842----?=??????=?=ππθΩεσΦA T

(3) ()

Φεσλδλδ=-=+-4

w 41c 2

111

T T A T T A

上式中，Φ恒定，ε恒定，T w 恒定，则T 1恒定；由于接触热阻的作用，左端分母增大，则T 2要升高。

热辐射计算公式

传热学课程自学辅导资料（热动专业）二○○八年十月

传热学课程自学进度表教材：《传热学》教材编者：杨世铭陶文铨出版社：高教出版时间：2006 1

注：期中（第10周左右）将前半部分测验作业寄给班主任，期末面授时将后半部分测验作业直接交给任课教师。总成绩中，作业占15分。 2

传热学课程自学指导书第一章绪论一、本章的核心、重点及前后联系（一）本章的核心 1、导热、对流、辐射的基本概念。 2、传热过程传热量的计算。（二）本章重点 1、导热、对流、辐射的基本概念。 2、传热过程传热量的计算。（三）本章前后联系简要介绍了热量传递的三种基本方式和传热过程二、本章的基本概念、难点及学习方法指导（一）本章的基本概念 1、热传导导热（Heat Conduction）：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热。特点：从宏观的现象看，是因物体直接接触，能量从高温部分传递到低温部分，中间没有明显的物质迁移。从微观角度分析物体的导热机理：气体：气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。导电固体：自由电子不规则运动相互碰撞的结果，自由电子的运动对其导热起主导作用。非导电固体：通过晶格结构振动所产生的弹性波来实现热量传递，即院子、分子在其平衡位置振动。液体：第一种观点类似于气体，只是复杂些，因液体分子的间距较近，分子间的作用力对碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动，原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）的作用。热流量：单位时间传递的热量称为热流量，用Ф表示，单位为W。 3

红外线辐射采暖原理及特点

红外线辐射采暖原理及特点燃气红外线辐射采暖技术是一种低强度远红外辐射采暖技术，以其均匀舒适的供暖性能、高效节能的运转方式、保护环境和安装方便的优良特性在大空间建筑采暖方面备受青睐。本文对这种技术的原理进行了简要的介绍，同时还分析了这种采暖方式的特性，应结合各小区实际情况进行选择。标签：红外线辐射采暖原理特点我国的天然气资源非常丰富，随着国家能源战略的转移和勘探开采技术的不断发展，近年来在我国西部探明并成功开发了一批优质天然气田，现已形成塔里木、柴达木、陕甘宁和川渝4个国家级的天然气田，已经具备了天然气产业发展的基础和条件。据悉，天然气作为一种清洁高效的能源和优质化工原料，在全世界能源结构中所占的比例已达24％，而在我国，目前天然气在能源结构中所占的比例只有2.2％。据中国石油天然气集团公司副总经理郑虎在2000中国国际石油天然气会议新闻发布会上透露，我国已将天然气开发和利用作为21世纪初能源结构优化和石油工业产业升级的重点，争取用十年左右的时间，使天然气在中国能源消费结构中的比重由目前的2.2％提高到8％左右，随着新疆塔里木全国最大的天然气田的诞生及西气东输工程的实施，连同开发海上石油天然气和利用国外天然气在内，到2010年将有望实现这个目标。勿庸置疑，在国家大力发展天然气工业的形势下，天然气作为清洁能源在工業生产和国民生活的能源消费中所占比例将越来越大。在这种情况下，如何响应国家政策，更好地推广天然气在暖通空调业的应用的问题，是摆在业内人士尤其是暖通空调设备制造厂家、销售商家和设计人员面前的一个课题。一、红外线辐射采暖原理燃气红外线辐射采暖系统由一个或多个独立的真空系统组成。每个真空系统包括一台真空泵、控制系统、一定数量的发生器和热交换器。系统的热交换器由100mm直径的钢管连接而成的管路及覆盖在其上方的高效铝合金反射板构成，如图1所示。

ANSYS热分析详解

第一章简介一、热分析的目的热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。二、ANSYS的热分析 ?在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中 ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。 ?ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ?ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。三、ANSYS 热分析分类 ?稳态传热：系统的温度场不随时间变化 ?瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化四、耦合分析 ?热－结构耦合 ?热－流体耦合 ?热－电耦合 ?热－磁耦合 ?热－电－磁－结构耦合等

第二章基础知识一、符号与单位 W/m 2-℃ 二、传热学经典理论回顾热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律: ● 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕 PE KE U W Q ?+?+?=- 式中: Q —— 热量; W —— 作功; ?U ——系统内能; ?KE ——系统动能； ?PE ——系统势能； ● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ??； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ?=； ● 对于稳态热分析：0=?=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ● 对于瞬态热分析：dt dU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。三、热传递的方式 1、热传导热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律：dx dT k q -=''，式中''q 为热流密度（W/m 2），k 为导热系数（W/m-℃），“-”表示热量流向温度降低的方向。

热辐射的基本概念_黑体、白体、镜体、透明体

热辐射的基本概念·黑体、白体、镜体、透明体凤谷工业炉吸收率α=1 的物体叫做绝对黑体，简称黑体 ; 反射率ρ=1 的漫反射的物体叫做绝对白体，简称白体；反射率ρ=1 的镜面反射的物体叫做镜体; 透过率τ-1 的物体叫做绝对透明体，简称透明体。这些都是假想的物体。对于红外辐射，绝大多数固体和液体实际上都是不透明体，但玻璃和石英等对可见光则是透明体。注意，所谓黑体或白体，是指物体表面能全部吸收或全部反射所投射的辐射能而言，所以黑体并不一定是黑色，白体并不一定是白色。看起来是白色的表面，也可能具有黑体的性质，这是因为 : 大部分热辐射的波长在 0.1~100μ m之间，而可见光辐射能的波长约有 0.38~0.76 μm之间。这样，如果一个表面除可见光辐射范围外对其余所有的热辐射具有很高的吸收率，则它将几乎吸收全部的投射辐射，而反射的部分只有很小的份额，从这个意义上说，该表面近似黑体，可是，它所反射的那很小的份额都处在可见光的波长范围内，因而该表面呈现白色。例如，冰雪对人眼来说是白色的，它对可见光是极好的反射体，但它却能几乎全部吸收红外长波辐射( α=0.96) ，接近于黑体。对红外辐射的吸收和反射具有重要影响的，不是物体表面的颜色，而是表面的粗糙度。不管什么颜色，平整磨光面的反射率要比粗糙面高很多倍，即其吸收率要比粗糙面小得很多。气体无反射性，ρ=0；单原子气体，对称性双原子气体等不吸收热辐射线，透过率τ=1，可称为“透明体”，或“透明介质”。空气中有蒸汽、 CO2时，就变成有吸收性的介质。实际固体的吸收率除了与表面性质有关外，还与投人辐射的波长有关，即物体的 . 单色吸收率αλ、随投射辐射的彼长而变。

热辐射基本定律

热辐射的基本定律 ? ?smyt_1983 ?2位粉丝 ? 1楼在工程技术中，在日常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜的。太阳对大地的照射是最常见的辐射现象。高炉中灼热的火焰会烘烤得人们难以忍受…太阳对人造卫星的辐射，会使卫星的朝阳面的温度明显地高于卫星背阳面的温度；高温发动机部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机的结构与强度设计，等等。特别是近年来，人类对太阳能的利用，都大大地促进了人们对辐射换热的研究。本章首先介绍辐射的基本特性和基本规律；然后重点讨论物体之间的辐射换热规律；最后对气体辐射换热的特点作扼要的介绍。第一节基本概念 1－1 热辐射的本质和特征由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波；不同波长的电磁波具有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。比如，人们可以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。人们根据电磁波不同效应把电磁波分成若干波段。波长λ＝0.38一0.76μm的电磁波段称为可见光波段λ＝0. 76—1000 μm的电磁波段称为红外波段(一般将红外波段范围又分为近红外波段和远红外波段，近红外波段为λ＝0.7—25μm，远红外波段为λ＝25—1000μm)；波长大于1000μm的电磁波段称为无线电波段(根据其波长的不同又可分为雷达、视频和广播三个波段)；波长小于0.4μm的电磁波依次分为紫外线、x射线和Y射线等。可见光和红外线以及紫外线的一部分被物体吸收后产生热效应，即波长λ＝0.1—1000 μm范围内的电磁技能被物体吸收变为热能，因此，这一波长范围的电磁波称为热射线。因为在一般常见的工业温度条件下，其辐射波长均在这一范围，所以本课程所感兴趣的将是热射线，下面将专门讨论这一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。一、热辐射的本质和特点

第8章热辐射基本定律和辐射特性(杨世铭,陶文栓,传热学,第四版,答案)

第8章热辐射基本定律和辐射特性课堂讲解课后作业【8-10】一等温空腔的内表面为漫射体，并维持在均匀的温度。其上有一个面积为0.022 m 的小孔，小孔面积相对于空腔内表面积可以忽略。今测得小孔向外界辐射的能量为70W ，试确定空腔内表面的温度。如果把空腔内表面全部抛光，而温度保持不变，问这一小孔向外的辐射有何影响？【解】小孔可以当做黑体来处理，4T A Φσ= 498.4496K 02 .01067.570 484 b =??==-A E T σ 小孔的黑体特性与空腔的内表面的性质无关，故不影响小孔向外的辐射。【8-18】暖房的升温作用可以从玻璃的光谱穿透比变化特性解释。有一块厚为3mm 的玻璃，经测定，其对波长为0.3～2.5μm 的辐射能的穿透比为0.9，而对其他波长的辐射能可以认为完全不穿透。试据此计算温度为5800K 的黑体辐射及温度为300K 的黑体辐射投射到该玻璃上时各自的总穿透比。【解】 ()()()()()()()() [] 12212 1 2 1 2 1 2 2 1 1 ~0b ~0b ~b b b b b b b b b b b b b b 0 b 9.09.0d 9 .0d 9.0d d d d d λλλλλλ λλλλλλ λλ λλλλλλλλ λ λλτλ λτλ λτλλτλλττF F F E E E E E E E E E E E E E E -==== = + + ==???????∞ ∞ T 1=5800K ，K m 174058003.011?=?=μλT ，K m 1450058005.212?=?=μλT ()0.032854 1~0b =λF ，()0.9660652~0b =λF ()()[][]0.8398899032854 .0966065.09.09.01 2 ~0b ~0b =-=-=λλτF F T 2=300K ，K m 903003.011?=?=μλT ，K m 0573005.212?=?=μλT ()0.0000288 1~0b =λF ，()0.000242~0b =λF ()()[][]0.000190080.0000288 0.000249.09.01 2 ~0b ~0b =-=-=λλτF F 【8-21】温度为310K 的4个表面置于太阳光的照射下，设此时各表面的光谱吸收比随波长的变化如附图所示。试分析，在计算与太阳能的交换时，哪些表面可以作为灰体处理？为什么？【解】太阳辐射能的绝大部分集中在2μm 以下的区域，温度为310K 的物体辐射能则绝大部分在6μm 以上的红外辐射，由图可见，第一种情形与第三种情形，上述波段范围内单色吸收率相同，因而可以作为灰色处理。

补充3-ANSYS热辐射分析

第六章热辐射分析 6.1热辐射的定义热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：式中：—物体表面的绝对温度； —Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119×10-10 BTU/hr-in-R，公制为 5.67×10-8 6.2基本概念下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义：黑体黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体；通常的物体为“灰体”，即ε< 1；在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化；辐射率（黑度）物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。式中：－辐射率（黑度）－物体表面辐射热量－黑体在同一表面辐射热量形状系数形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。表面I与表面J之间的形状系数为：形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数；由于能量守恒，所以：

根据相互原理：由辐射矩阵计算的形状系数为：式中：－单元法向与单元I,J连线的角度－单元I,J重心的距离有限单元模型的表面被处理为单元面积dA I 及dA J ，然后进行数字积分。辐射对在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开放的或是闭合的。在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每一个开放的辐射对都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。 Radiosity 求解器当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面上的辐射热流来得到辐射体之间的热交换。而面上的热流为接下来的热传导分析提供了有限元模型的边界条件。重复上面的过程，就会由于新的时间步或者新的迭代循环会得到新的热流边界条件，从而计算出新的温度分布。在计算中使用的每个表面的温度必须是均匀的，这样才能满足辐射模型的条件。 6.3分析热辐射问题针对不同的情况ANSYS为热辐射分析提供了四种方法。热辐射线单元（LINK31），模拟两节点间（或多对节点）间辐射；表面效应单元（SURF151及SURF152），模拟点对面（线）的辐射；利用AUX12生成辐射矩阵，模拟更一般的面与面（或线与线）的辐射(只有ANSYS/Multiphysics ANSYS/Mechanical和ANSYS/Professional这些产品提供辐射矩阵生成器)； Radiosity求解器方法，求解二维、三维面与面之间的热辐射，该方法对所有含温度自由度的二维和三维单元都适用。(只有ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical 和ANSYS/Professio- nal这些产品提供Radiosity求解器)

热辐射

热辐射在生活与工厂中的应用冶金12-A1 马凯李景玉汪鹏飞一、热辐射﹙thermal radiation ﹚ 物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。热量传递的3种方式之一。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波；不同波长的电磁波具有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。比如，人们可以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。二、热辐射 - 特点热辐射的本质决定了热辐射过程有如下三个特点： ⑴辐射换热与导热、对流换热不同、它不依赖物体的接触而进行热量传递，而导热和对流换热都必须由冷、热物体直接接触或通过中间介质相接触才能进行。

⑵辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化，即物体的部分内能转化为电磁波能发射出去，当此波能射及另一物体表面而被吸收时，电磁波能又转化为内能。 ⑶一切物体只要其温度T＞0K，都会不断地发射热射线。当物体间有温差时，高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量，因此总的结果是高温物体把能量传给低温物体。即使各个物体的温度相同，辐射换热仍在不断进行，只是每一物体辐射出去的能量，等于吸收的能量，从而处于动平衡的状态。关于热辐射，其重要规律有4个:基尔霍夫辐射定律、普朗克辐射分布定律、斯蒂藩·玻耳兹曼定律、维恩位移定律，这 4 个定律。有时统称为热辐射定律。三、发展历史 1889年O.lummer等测定了黑体辐射光谱能量分布的实验数据。 1879年J.Stefan根据实验数据确立了黑体辐射力正比绝对温度的四次方规律。 1884年L.Boltzmann从理论上证实了上述定律。

红外传感器的特点

利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。红外辐射是由于物体（固体、液体、和气体）内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的，只是在绝对零度（﹣273.16℃）时，一切物体的分子才会停止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。换言之，在一般常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。红外线和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度c=3×108m／s，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。红外传感器利用红外辐射与物质相互作用所称呈现的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现的电学效应。。1. 热释电人体传感器热释电红外探头的工作原理及特性： “铁电体”的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高（参阅图2-6），使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电所以叫做热释电型传感负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。一般人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM 左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，电后续电路经检验处理后即可产生报警信号（参阅图2-7）图2-7 1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。 2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用 )被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。 3)4一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。 5)菲尼尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。热释电红外传感器件有多种，但大都是有高热系数的钴钛铅系陶瓷，以及钽酸锂，硫酸三甘钛等配合滤光镜片窗口所组成的。利用这种传感器件，就可以非接触方式对物体辐射出的红外线进行检测，察觉红外线能量的变化，将其转换成相应的电信号，并以该信号作为控制信号，对电器设备或保安防盗进行控制。一般来说热释电传感器的封装有两种，即TO-5型金属封装和塑料封装。为了使热释电红外传感器件辐射到的红外线与大气的红外透射率相结合，同时考虑到对人体红外辐射（特别是近红外辐射）干扰进行抑制，在热释电传感元件前加上一个8~14微米的

羽流的红外辐射特性计算

羽流的红外辐射特性计算成志铎（南京理工大学动力工程学院，南京 210094）摘要：为了研究坦克尾向的红外辐射特性，利用计算流体力学软件FLUENT对坦克尾向流场进行数值模拟。模拟不同的排气速度、不同的喷口数目、不同的尾气成分以及有无风速这四种工况,进而分析这四种不同工况下的速度场、压力场、浓度场、温度场的分布情况，以及各个面的红外辐射量的对比，得出各个因素对辐射量影响的大小。由模拟结果可以看出有无风速对各个面辐射量影响最大；在喷口数目不同时左右两个侧面的红外辐射量的改变都接近50%；在出口速度增加了67%时，右侧面的辐射量约增加1.6倍；不完全燃烧比完全燃烧尾气对上表面的辐射量增加了21%。这些模拟结果一定程度为坦克排气的红外辐射特征研究提供了依据。关键词：羽流坦克排气流场红外辐射引言从第二次世界大战以来，坦克在战争中一直作为地面战的主要进攻型武器。发挥了很大的威力，越来越多的国家在研制先进的反坦克武器。在这些反坦克武器中装有红外识别传感器，用以对坦克进行识别从而进行攻击。另一方面，坦克红外伪装隐身技术也在向前发展。为了提高这些武器的识别与反识别能力，必须对坦克目标本身在不同工作状态下，相对于不同地物背景下的红外辐射特性进行深人细致地研究。［1］而为了提高坦克的机动性、攻击性和防护性等性能，坦克发动机的功率不断升高，柴油机燃烧气体的温度以及燃烧产生的废气量大大增加，柴油机标定工况时的排气温度可达800 K以上。坦克排出的废气中主要二氧化碳和水蒸气组成的，其光带均位于红外线的波长范围，这样会使坦克防护性能下降，因此对其尾气红外的计算对坦克是非常重要的。而要研究坦克排气的红外热辐射特征，首先需要了解排气流场与温度场的分布情况。［2］由于羽流的实际实验比较难做，所以大多是通过模拟，来验证处理方法的正确性，再应用于实际情况中。而在以前的研究方法中，在流场及壁温计算中采用了较简单的处理方法，没有将排气系统的三维流场计算、壁温计算与红外辐射计算结合起来。同时，计算结果缺乏与实测数据的比较和检验，不能适应工程应用的要求。本次设计将会采用FLUENT软件模拟出坦克发动机羽流的三维速度场、压力场，温度场以及浓度场，从而非常直观地看出尾气羽流的过程，为排气系统羽流的红外辐射特性的分析研究做出了具有工程应用价值的工作［3］。 1 控制方程假设坦克的运行处于某一稳定的工况，即可以认为发动机的排气流动不随时间的变化而改变，所以可以当做稳态问题处理。本文采用三维、稳态、可压的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、标准双方程湍流方程、组分方程、do方法来描述坦克的尾气的流动及辐射传热问题：连续性方程（质量守恒方程）： () () [()] m j m m j j j u D t x x x ρ ρρ ρ ρ ? ??? += ???? （1）

2.1.2 热辐射的基本定律

2.1.2 热辐射的基本定律第七章光的量子性本章主要介绍历史上在研究黑体辐射，光电效应和康普顿效应时，怎样打破经典理论成见，逐渐认识到光的波粒二象性，并阐述波粒二象性的含义。 §7—1 热辐射、基尔霍夫定律一、几种不同形式的辐射物体向外辐射将消耗本射的能量。要长期维持这种辐射，就必须不断从外面补偿能量，否则辐射就会引起物质内部的变化。在辐射过程中物质内部发生化学变化的，叫做化学发光。用外来的光或任何其它辐射不断地或预先地照射物质而使之发光的过程叫做光致发光。由场的作用引起的辐射叫场致发光。另一种辐射叫做热辐射，这种辐射在量值方面和按波长分布方面都取决全辐射体的温度。任何温度的物体都发出一定的热辐射。一物体 500℃左右，暗红色。随温度不断上升，辉光逐渐亮起来，而且波长较短的辐射越来越多。1500℃变成明亮的白炽光。同一物体在一定温度下所辐射的能量，在不同光谱区域的分布是不均匀的，而且温度越高，光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高。在一定温度下，不同物体所辐射的光谱成份有显著的不同。二、辐射出射度和吸收比从上面知道：在单位时间内从物体单位面积向各个方向所发射的，频率在νννd +→范围内的辐射能量Φd 与ν和T 有关，而且νd 足够小时，可认为与νd 成正比 ν ννd E d T T =Φ, T E ,ν是ν和T 的函数，叫做该物体在温度T 时发射频率为ν的单色辐射出射度（单色辐出度）。它的物理意义是从物体表面单位面积发出的，频率在ν附近的单位频率间隔内的辐射功率。它反映了在不同温度下，辐射能量按频率分布的情况。单位为 s m J m W ?=22// 从特体表面单位面积上所发出的各种频率的总辐射功率，称为物体的辐射出射度。用 )(0T Φ表示： νννd E d T T T ,0 ,0 0)(??∞ ∞ =Φ=Φ )(0T Φ只是温度的函数。T E ,ν和)(0T Φ同表面情况有关。另一方面，当辐射照射到某一不透明物体表面时，其中一部分能量将被物体散射或反射，另一部分能量则被物体所吸收。用T d ,νΦ表示频率在ν和ννd +范围内照射到温度为 T 的物体的单位面积上的辐射能量；T d ,ν Φ'表示物体单位面积上所吸收的辐射能量，则

第7章-热辐射的基本定律

第七章热辐射的基本定律在工程技术中，在日常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜的。太阳对大地的照射是最常见的辐射现象。高炉中灼热的火焰会烘烤得人们难以忍受‘太阳对人造卫星的辐射，会使卫星的朝阳面的温度明显地高于卫星背阳面的温度；高温发动机部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机的结构与强度设计，等等。特别是近年来，人类对太阳能的利用，都大大地促进了人们对辐射换热的研究。本章首先介绍辐射的基本特性和基本规律；然后重点讨论物体之间的辐射换热规律；最后对气体辐射换热的特点作扼要的介绍。第一节基本概念 1－1 热辐射的本质和特征由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波；不同波长的电磁波具有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。比如，人们可以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。人们根据电磁波不同效应把电磁波分成若干波段。波长λ＝0.38一0.76μm的电磁波段称为可见光波段λ＝0.76—1000 μm的电磁波段称为红外波段(一般将红外波段范围又分为近红外波段和远红外波段，近红外波段为λ＝0.7—25μm，远红外波段为λ＝25—1000μm)；波长大于1000μm的电磁波段称为无线电波段(根据其波长的不同又可分为雷达、视频和广播三个波段)；波长小于0.4μm的电磁波依次分为紫外线、x射线和Y射线等。可见光和红外线以及紫外线的一部分被物体吸收后产生热效应，即波长λ＝0.1—1000 μm范围内的电磁技能被物体吸收变为热能，因此，这一波长范围的电磁波称为热射线。因为在一般常见的工业温度条件下，其辐射波长均在这一范围，所以本课程所感兴趣的将是热射线，下面将专门讨论这一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。一、热辐射的本质和特点 1、发射辐射能是各类物质的固有特性。当原子内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。由于自身温度或热运动的原因面激发产生的电磁波传播，就称热辐射。显然，热辐射是电磁波，电磁波的波长范围可从几万分之一微米到数千米，它们的名称和分类如图所示。通常把λ＝0.1—100μm范围的电磁波称热射线，其中包括可见光线、部分紫外线和红外线具有波动和量子特性。 2、特点热辐射的本质决定了热辐射过程有如下三个特点：

温度场分析理论总结

传热学基本理论：传热学是研究由温差引起的热能传递规律的科学，遵循热力学三大定律，热力学第一定律是在一个热力学系统内，能量可转换，即可从一种形式转变成另一种形式，但不能自行产生，也不能毁灭；热力学第二定律是凡是温差存在的地方就有热能自发地从高温物体向低温物体传递；热力学第三定律是一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是等温可逆过程熵的变化为零，可是理想气体实际并不存在，所以现实物质中，即使是等温可逆过程，系统的熵也在增加，不过增加的少。在绝对零度，任何完美晶体的熵为零。热能传递有三种基本方式，分别是热传导、热对流和热辐射。兹分别简述如下：热传导：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自有电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为热传导，简称导热。通过对实际导热问题的经验提炼，导热现象的规律遵循傅里叶定律。根据傅里叶定律，单位时间内通过物体截面的导热热量与当地的温度变化率及截面面积成正比，即 dt A dx λψ=- 式中，λ是比例系数，称为导热率，又称导热系数，负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。由上式可知当 0dt dx <时，0ψ>，热量沿着x 轴增大的方向传递；当0dt dx >时，0ψ<，热量沿着x 轴减小的方向传递。热传导的微分方程：热传导微分方程是基于傅里叶定律和传热学守恒定律得到的，兹将传热学微分方程作如

下详细描述。

导体内任一微元平行六面体及其坐标如图所示，根据傅里叶定律，导入x x =、y y =、 z z =微元平面的热量分别是： ()x x x t A dydz x λ??? ψ=- ???? ()y y y t A dzdx x λ??? ψ=- ???? ()z z z t A dxdy x λ??? ψ=- ???? 导出x x dx =+、y y dy =+、z z dz =+微元平面的热量亦可根据傅里叶定律写出如下： ()()()()x x x dx x x x x x x t dx A dydz dx x x x λ+?ψ?????? ψ=ψ+=ψ+ - ?????????? ()() ()()y y y dy y y y y y y t dy A dzdx dy y y y λ+?ψ? ?????ψ=ψ+ =ψ+-?? ?????????? ()()()()z z z dz z z z z z z t dz A dxdy dz z z z λ+?ψ?????? ψ=ψ+ =ψ+ - ?????????? 对于微元体，按照能量守恒定律，在任一时间间隔内有以下热平衡关系：导入微元体的总热流量+微元体内热源生成热=导出微元体的总热流量+微元体热力学能增量其他两项的表达式为微元体热力学能增量=t c dxdydz ρτ ?? 微元体内热源生成热=dxdydz ψ 由以上公式得： t t t t c x x y y z z ρλλλτ????????????? =+++ψ ? ? ???????????? ?? 热辐射：物体通过电磁波传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。物体的辐射能力与温度有关，同一温度条件下不同物体的辐射和吸收本领不同。假想一理想物体黑体，它能吸收投入到其表面上的所有热辐射能量。黑体在单位时间内发出的热辐射热量由斯忒藩—玻耳兹曼定律揭示： 4 A T σψ=

热辐射的基本定理

第八章热辐射的基本定理本章从分析热辐射的本质和特点开始，结合表面的辐射性质引出有关热辐射的一系列术语和概念，然后针对辐射规律提出了热辐射的基本定律。学习的基本要求是：理解热辐射本质和特点。有关黑体、灰体、漫射体，发射率（黑率）、吸收率的概念。理解和熟悉热辐射的基本定律，重点是斯蒂芬—玻尔兹曼定律和基尔霍夫定律。了解影响实际物体表面辐射特性的因素。主要内容有：一、作为表面的热辐射性质，主要有：对外来投射辐射所表现的吸收率、反射率、透射率和自由温度所表现出的发射率。对实际表面，这些性质既有方向性又具有光谱性，即它们既和辐射的方向有关，又和辐射的波长有关。所以实际表面的辐射性质是十分复杂的。工程上为简化计算而提出了“漫”“灰”模型：前者指各向同性的表面，即辐射与反辐射性质与方向无关；后者指表面的辐射光谱与同温度黑体的辐射光谱相似，或表面的单色吸收率不随波长而变化是一个常数。如某表面的辐射特性，除了与方向无关外，还与波长无关，则称为“漫—灰”表面，本教材主要针对这类表面作分析计算。二、有关黑体的概念。黑体既是一个理想的吸收体又是理想的发射体，在热辐射中可把它作为标准物体以衡量实际物体的吸收率和发射率。基于黑体是理想吸收体，如把他置于温度为T的黑空腔中，利用热平衡的原理可推论出黑体尚具有如下特性： 1、在同温度条件下，黑体具有最大的辐射力Eb，既（T）> （T）。 2、黑体的辐射力是温度的单调递增函数。 3、黑体辐射各向同性，即黑体具有漫射性质，辐射强度与方向无关，≠。三、发射率发射率单色发射率与的关系对灰表面≠，可有= 。四、辐射力E和辐射强度I均表示物体表面辐射本领。只要表面温度T>0 K，就会有辐射能量。前者是每单位表面积朝半球方向（0 K环境）在单位时间内所发射全波长的能量，而后者是某方向上每单位投影面积在单位时间、单位立体角内所发射的全波长能量。它们之间的关系是，对黑体。如果是单色辐射能量，相对有单色辐射力和单色辐射强度，并有，对黑体。五、热辐射的基本定律有： 1、普朗克定律： 2、斯蒂芬—玻尔兹曼定律： W/（m2·K4）对灰表面 3、兰贝特定律：或对漫表面才有此关系。 4、基尔霍夫定律：在热平衡条件下得出温度不平衡条件下几种不同层次：（1）、无条件成立；（2）、漫表面成立；

热辐射的基本概念·辐射、热辐射和辐射波谱

辐射、热辐射和辐射波谱无锡凤谷工业炉（1）辐射、热辐射和辐射波谙辐射是物质固有的属性。热辐射则是许多辐射现象中的一种。辐射具有横波(电磁波)和粒子(光子)的二象性。物体的原子内部电子的振动或激发，会产生交替变化的电磁场，实现电磁波的发射和传播，或者说，会释放光子，光子以射线方式传播，直到被所遇到的其他原子吸收为止。辐射的过程就是物体的内能转变为辐射能，以发射电磁波、或者说，以发射光子的形式对外放射，当辐射能落在另一些物体上而被吸收时，可以转化为该物体的内能增量而产生热效应、化学效应、或光电效应等。各种不同效应的产生取决于投射的电磁波的波长和受投射物体的性质。 2)热辐射及其波长任何温度大于绝对零度的物体.都会将它的热能不断地转换为辐射能向外发射，这种由于温度的原因而发生的电磁波(光子)辐射称为热辐射。从理论上说，物体热辐射的电磁波波长可以包括电磁波的整个波谱范围，即波长从零到无穷大。然而在工业上所遇到的温度范围

内(T≤1400K)，有实际意义的热辐射波长位于波谱的0.38~1000μm之间，即在可见光与红外线范围，见表3-1。而且，热辐射的大部分能量位于0.76~20μm范围内，故红外线有时俗称热射线当热辐射线投射到受射物体而被其吸收时，就产生了加热效应。显然，当热辐射的波长大于0.76脚时，人们的眼睛将看不见它们。 3)辐射波的速率和光子的能量各种电磁辐射波，包括热辐射线都以光速在空间进行传播。电磁波的速率等于辐射波长同其频率的乘积。由此可见，不同的电磁波可由波长或频率来确定其性质。当辐射线从一种介质进人另一种介质而出现折射的情况下，其频率不变，而速率及波长将发生变化。电磁波或者光子所携带的能量，即辐射能。1900年普朗克(planck)把辐射的关于波和粒子的二象性联系了起来，创立了量子学说，把光子看作一种具有能量和质量的粒子，提出了一个光子的能量为：由此可见，光子的能量随其频率而不同。

第8章 热辐射基本定律和辐射特性