辐射换热思考题解答
1．什么叫黑体？在辐射换热中为什么要引入这一概念？
答：吸收比1
α的物体叫做黑体，黑体是一个理想化的物体，黑体辐射的特性反映了物
=
体辐射在波长、温度和方向上的变化规律，这为研究实际物体的辐射提供了理论依据和简化分析基础。
2．温度均匀的空腔壁面上的小孔具有黑体辐射的特性，那么空腔内部的辐射是否也是黑体辐射？
答：空间内壁壁面不一定是黑体辐射，之所以小孔呈现出黑体特性，是因为辐射在空腔内经历了很多次吸收和反射过程，使离开小孔的能量微乎其微。
3．试说明，为什么在定义辐射力时要加上“半球空间”和“全波长”的说明？
答：因为辐射表面半球空间每一立体角都有来自辐射面的辐射能，而辐射能的形式有各个不同波长。全辐射必须包括表面辐射出去的全部能量，所以要加上“半球空间”和“全部波长”的说明。
E的单位中“m3”代表什么？
4．黑体的辐射能按波长是怎样分布的？光谱辐射力
λ,b
答：黑体辐射能按波长的分布服从普朗克定律，光谱辐射力单位中分母“m3”代表了单位面积m2和单位波长m的意思。
5．黑体的辐射能按空间方向是怎样分布？定向辐射强度与空间方向无关是否意味着黑体的辐射能在半球空间各方向上是均匀分布的？
答：黑体辐射能按空间方向分布服从兰贝特定律。定向辐射强度与空间方向无关并不意味着黑体辐射能在半球空间各方向上是均匀分布的，因为辐射强度是指单位可见面积的辐射能，在不同方向，可见面积是不同的，即定向辐射力是不同的。
6．什么叫光谱吸收比？在不同光源的照耀下，物体常呈现不同的颜色，如何解释？
答：所谓光谱吸收比，是指物体对某一波长投入辐射的吸收份额，物体的颜色是物体对光源某种波长光波的强烈反射，不同光源的光谱不同，所以物体呈现不同颜色。
7．对于一般物体，吸收比等于发射率在什么条件下成立？
答：任何物体在与黑体处于热平衡的条件下，对来自黑体辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。
8．说明灰体的定义以及引入灰体的简化对工程辐射换热计算的意义。
答：光谱吸收比与波长无关的物体叫做灰体，灰体的吸收比恒等于同温度下的发射率，把实际物体当做灰体如理，可以不必考虑投入辐射的特性，将大大简化辐射换热的计算。
α与波长的关系如图所示，试估计这两种材料的发射9．已知材料A、B的光谱吸收比)
(λ
率ε随温度变化的特性，并说明理由。
λα λ
答：根据基尔霍夫定律：αε~， )(~)(λαλε。由维恩位移定律：T /1~max λ。
因为A 的光谱吸收比随波长增加而降低，即其善于吸收短波辐射，必善于发射短波辐射，所以其发射率随温度升高而升高，可能是金属材料。B 的光谱吸收比是随波长的增加而增高，即其善于吸收长波辐射，必善于发射长波辐射，所以其发射率随温度升高而降低，可能是非金属材料。
10、试述角系数的定义。“角系数是一个纯几何因子”的结论是在什么前提下得出的？ 答：表面1发出的辐射能落到表面2上的份额称为表面1对表面2的角系数。“角系数是一个纯几何因子”的结论是在物体表面性质及表面温度均匀、物体辐射服从兰贝特定律的前提下得出的。
11、角系数有哪些特性？这些特性的物理背景是什么？
答：角系数有相对性、完整性和可加性。相对性是在两个物体处于热平衡时，净辐射换热量为零的条件下导得的；完整性反映了一个由几个表面组成的封闭系统中，任一表面所发生的辐射能必全部落到封闭系统的各个表面上；可加性是说明从表面1发出而落到表面2上的总能量等于落到表面2上各部分辐射能之和。
12、为什么计算一个表面与外界之间的净辐射换热量时要采用封闭腔的模型？
答：因为任一表面与外界的辐射换热包括了该表面向空间各个方向发出的辐射能和从各个方向投入到该表面上的辐射能。
13、实际表面系统与黑体系统相比，辐射换热计算增加了哪些复杂性？
答：实际表面系统的辐射换热存在表面间的多次重复反射和吸收，光谱辐射力不服从普朗克定律，光谱吸收比与波长有关，辐射能在空间的分布不服从兰贝特定律，这都给辐射换热计算带来了复杂性。
14、什么是一个表面的自身辐射、投入辐射及有效辐射？有效辐射的引入对于灰体表面系统辐射换热的计算有什么作用？
答：由物体的热力学能转变成的辐射能叫做自身辐射，投向辐射表面的辐射叫做投入辐射，离开辐射表面的辐射叫做有效辐射，有效辐射概念的引入可以避免计算辐射换热计算时出现多次吸收和反射的复杂性。
15、对于温度已知的多表面系统，试总结求解每一表面净辐射换热量的基本步骤？ 答：（1）画出辐射网络图，写出节点辐射力、表面热阻和空间热阻；（2）写出由中间节点方程组成的方程组；（3）解方程组得到各点有效辐射；（4）由端点辐射力，有效辐射和表面热阻计算各表面净辐射换热量。
16、什么是辐射表面热阻？什么是辐射空间热阻？网络法的实际作用你是怎样认识的？
答：由辐射表面特性引起的热阻称为辐射表面热阻，由辐射表面形状和空间位置引起的热阻称为辐射空间热阻，网络法的实际作用是为实际物体表面之间的辐射换热描述了清晰的物理概念和提供了简介的解题方法。
17、试写出如下长通道的角系数2,1X 。
解：11,2=X Θ
π
π344/3221211
,222,1=?===∴R R A A A X A X 18、两种材料a 和b 的吸收光谱如图，如选其中一种材料作太阳能集热器表面覆盖层，应选用哪一种材料？为什么？
λα
)(m μλ
答：应选用a 材料。
太阳辐射的能量中有99%集中在m m μλμ32.0≤≤的短波区。
从图中可以看出，a 材料对波长3m μ以下的短波吸收率为，而b 材料对波长3m μ以下的短波吸收率为，所以a 材料对太阳辐射的吸收率大，因而应该选用a 材料作太阳能集热器表面覆盖层。
19、如图，在垂直于纸面的方向上均为无限长。
求：导出从沟槽表面发出的辐射能中落到沟槽外面的部分所占的百分数的计算公式。
解：对三种情形，在开口处做一假想表面，设表面积为1A ，而其余沟槽表面为2A ，则有 1,222,11X A X A =，12,1=X Θ，2
11,2A A X =∴
（1）??sin sin /)2/(21,2==
W W X （2）W H W X +=
21,2； （3）?
sin /21,2W H W X +=。
第八章 辐射换热的计算 §8-1 角系数的定义、性质及计算 两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大关系 a 图中两表面无限接近，相互间的换热量最大； b 图中两表面位于同一平面上，相互间的辐射换热量为零。由图可以看出，两个表面间的相对位置不同时，一个表面发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随之而异，从而影响到换热量。 一. 角系数的定义 角系数是进行辐射换热计算时空间热组的主要组成部分。 定义：把表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数，记为X 1,2。 二. 角系数的性质 研究角系数的性质是用代数法（代数分析法）求解角系数的前提： 假定：（1）所研究的表面是漫射的 （2）在所研究表面的不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的 1、角系数的相对性 一个微元表面到另一个微元表面的角系数 两微元表面角系数的相对性表达式： 1121 1112,11cos b A dA dA b A I d d dA dA X dA E d θ???Ω == ?由发出的落到上的辐射能由发出的辐射能2 2 12,cos cos 21r dA X dA dA πθθ??= 1 221,2,1dA dA dA dA X dA X dA ?=?
2、角系数的完整性 对于由几个表面组成的封闭系统，据能量守衡原理，从任何一个表面发射出的辐射能必全部落到封闭系统的个表面上。因此，任何一个表面对封闭腔各表面的角系数之间存在下列关系： 注：若表面1为非凹表面时，X 1,1 = 0；若表面1为凹表面，X 1,1≠ 0 3、角系数的可加性 注意，利用角系数可加性时，只有对角系数符号中第二个角码是可加的，对角系数符号中的第一个角码则不存在类似的关系。 从表面2上发出而落到表面1上的辐射能，等于从表面2的各部分发出而落到表面1上的辐射能之和。 三、角系数的计算方法 1、直接积分法 按角系数的基本定义通过求解多重积分而获得角系数的方法 2、代数分析法 利用角系数的相对性、完整性及可加性，通过求解代数方程而获得角系数的方法称为代数分析法。 3、几何分析法 §8-2 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热 一、两黑体表面组成的封闭腔间的辐射换热计算 1 ,13,12,11,1=++++n X X X X
辐射采暖制冷的研究 [摘要] 随着经济的发展，购买空调设备用于制冷和采暖似乎成为了当今唯一的改善居住环境的措施和时尚。但是，大功率的空调设备的使用会导致能源需求的大大提高和巨大的能源浪费，还会带了空气污染。而辐射，作为一种高效的传热方式在改善居住环境方面有很大的作用。辐射供暖制冷的卫生条件和舒适性标准都比较高。就我国现阶段的情况看，采暖制冷的主要能源仍是以煤炭为主，还存在着很多的未利用能，如地下水、地表水、地表热、土壤热等，这些低品热源的利用可以在辐射供暖和制冷中得到利用。从以人居健康舒适、环境保护和能源有效利用为中心的空调技术进展上看，辐射供暖制冷的研究很有价值。本文总结了一些文献中的结论。 [关键词] 有效辐射，角系数,负荷，冷辐射吊顶 1 前言 辐射供热是一种利用特质内部，如建筑物内部的棚顶、墙面、地面或其它表面进行供热的系统。供热系统中，辐射能占总能量的50％以上的系统方可称为辐射供热系统。按热源表面温度将辐射分为低温辐射、中温辐射、高温辐射，这里所讨论的是表面温度低于80℃的低温辐射供热。按辐射板位置又分为顶面式、墙面式、地面式和楼面式。 而辐射是一种高效的传热方式，比对流和导热等传热方式快得多。负荷与节能使用辐射采暖,具有三个优点: 1 提高了壁面辐射温度,从而增强了人的舒适感。 2 室内温度分布较均匀,并且可以使用低温热源。 3 直接使辐射热作用于人体,可以降低室内空气温度,从而实现节能。[1] 辐射供暖因其节能、舒适，不占用室内使用面积等突出特点，已在北京地区获得大面积应用。但若要在南方地区推广应用，最好能同时解决夏季供冷问题。虽然低温地板采暖供热技术可以使室内采暖的舒适度达到极高的程度，但其仅仅解决了冬季采暖的需要，却无法在夏季实现降温的要求，因此在一定程度上也阻碍了地板辐射采暖技术的发展和应用。 目前国内的一部分单位和企业对如何充分利用地板辐射盘管，实现夏季降温也进行了一定的研究。最基本的解决办法向地板辐射盘管中通入冷水，以期达到室内温度的降低，但由于夏季室内空气温度高于降温地面，阻碍到热量的传递，热量传递效率比较低，存在接近地面部分温度梯度较大的问题。解决热量传递问题的另一个方案是天花辐射，从而加强夏季冷量的传递。[2] 本文介绍了地板辐射采暖以及天棚辐射采暖降温系统的一些特点，最后用一种计算方法近似计算了一个采用天棚辐射采暖降温系统的房间的一些工况，然后进行了一些自己的分析。 2．地板辐射采暖
本科课程论文 题目论辐射换热的应用分析 学院工程技术学院 专业机械设计制造及其自动化 年级 2011 学号 222011322220214 姓名胡奎奎 指导教师徐元浩 成绩 _____________________
2013年 12月25日
目录 摘要 (2) 1 引言 (2) 2 辐射换热的基本概念 (2) 2.1 热辐射 (2) 2.2 吸收比、反射比、透射比 (3) 2.3 人工黑体 (3) 3 黑体辐射 (3) 4 辐射的类型 (4) 4.1 固体辐射 (4) 4.2 火焰辐射 (4) 5 辐射换热的应用 (4) 5.1 地板辐射采暖 (5) 5.1.1 低温地板辐射供暖的优点 (5) 5.1.2 地板辐射采暖的缺点 (6) 5.2 冷辐射吊顶概述 (6) 5.2.1 辐射吊顶系统应用未普遍原因 (7) 5.2.2 冷辐射吊顶需注意问题 (7) 5.2.3 冷辐射吊顶防止结露方法 (7) 6 总结 (8) 参考文献 (8)
论辐射换热的应用分析 胡奎奎 西南大学工程技术学院，重庆 400716 摘要：自然界中的各个物体都在不停地想空间散发出辐射热，同时又在不停地吸收其他物体散发出的辐射热，这种在物体表面之间由辐射与吸收综合作用下完成的热量传递就是辐射换热，辐射换热以其独特的特点和长处,成为这个迅猛发展时代中的先锋，具有广泛的应用领域和应用价值。本文主要阐述了辐射换热的基本概念,最后总结举例说明现在社会辐射采暖制冷的研究与应用。 关键词: 辐射换热；热辐射；负荷；采暖制冷；冷辐射吊顶 1 引言 在现代全球温度聚变背景下的今天，为了更好的享受舒适的环境，企业开始打造各种采暖制冷措施，把握并引导市场居住条件变化的发展方向。而购买空调等设备用于制冷和采暖似乎成为了当今唯一的改善居住环境的措施和时尚。但是，大功率的空调设备的使用会导致能源需求的大大提高和巨大的能源浪费，还会带了空气污染。于是，在这样的背景下发展起来的社会辐射采暖制冷的重大改革，将极大的改变社会居住现状。辐射换热指的是自然界中的各个物体不停地想空间散发出辐射热，同时又在不停地吸收其他物体散发出的辐射热，在这种物体表面之间由辐射与吸收综合作用下完成的热量传递。辐射换热，作为一种高效的传热方式在改善居住环境方面有很大的作用。辐射供暖制冷的卫生条件和舒适性标准都比较高。就我国现阶段的情况看，采暖制冷的主要能源仍是以煤炭为主，还存在着很多的未利用能，如地下水、地表水、地表热、土壤热等，这些低品热源的利用可以在辐射供暖和制冷中得到利用。从以人居健康舒适、环境保护和能源有效利用为中心的空调技术进展上看，辐射供暖制冷的研究很有价值。 2 辐射换热的基本概念 2.1 热辐射 辐射是电磁波传递能量的现象。热辐射是由热运动产生的电磁波辐射，是一种以电磁波形式传递热量的传热方式。 热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的，其显著特点是热辐射可以在真空中传播，并且具有强烈的方向性。只要物体的温度高于0K，就会不停地把热能变为辐射能，向周围空间发出热辐射；同时物体也不断的吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变为
第八章 1．什么叫黑体？在热辐射理论中为什么要引入这一概念？ 2．温度均匀得空腔壁面上的小孔具有黑体辐射的特性，那么空腔内部壁面的辐射是否也是黑体辐射？ 3．试说明，为什么在定义物体的辐射力时要加上＂半球空间＂及＂全部波长＂的说明？ 4．黑体的辐射能按波长是怎样分布的？光谱吸收力λb E 的单位中分母的＂3 m ＂代表什么 意义？ 5．黑体的辐射按空间方向是怎样分布的？定向辐射强度与空间方向无关是否意味着黑体的辐射能在半球空间各方向上是均匀分布的？ 6．什么叫光谱吸收比？在不同光源的照耀下，物体常呈现不同的颜色，如何解释？ 7．对于一般物体，吸收比等于发射率在什么条件下才成立？ 8，说明灰体的定义以及引入灰体的简化对工程辐射传热计算的意义． 9．黑体的辐射具有漫射特性．如何理解从黑体模型（温度均匀的空腔器壁上的小孔）发出的辐射能也具有漫射特性呢？ 黑体辐射基本定律 8-1、一电炉的电功率为1KW ，炉丝温度为847℃，直径为1mm 。电炉的效率为0.96。试确定所需炉丝的最短长度。 解：5.67×34 10 96.010*******?=??? ??+dL π 得L=3.61m 8-2、直径为1m 的铝制球壳内表面维持在均匀的温度500K ，试计算置于该球壳内的一个实验表面所得到的投入辐射。内表面发射率的大小对这一数值有否影响？ 解：由 4 0100? ?? ??=T C E b ＝35438 W/2m 8-3、把太阳表面近似地看成是T=5800K 的黑体，试确定太阳发出的辐射能中可光所占的百分数。 解：可见光波长范围是0.38～0.76m μ 4 0100? ?? ??=T C E b ＝64200 W/2m 可见光所占份额 ()()()%87.44001212=---=-λλλλb b b F F F 8-4、一炉膛内火焰的平均温度为1500K ，炉墙上有一着火孔。试计算当着火孔打开时从孔向外辐射的功率。该辐射能中波长为2m μ的光谱辐射力是多少？哪种波长下的能量最多？ 解：4 0100? ?? ??=T C E b ＝287W/2m ()3 10/5 1/1074.912m W e c E T c b ?=-=-λλ λ
辐射换热 1、角系数的大小取决于物体的三个因素，即：__几何形状、_表面面积__和相对位置。 2、确定角系数的方法主要有____代数法__________和______积分法 ________。 3、用代数确定角系数，是依靠物体间辐射换热的____完整性__、___互换性_和__分解性_三个原理。 4、组成辐射换热网络的热阻有表面热阻和空间热阻. 它们的表达式各为______和_____。 5、两无限大平壁平行放置时，角系数为X1，2=________1_____________； 空腔2与内包小凸物1之间的角系数为X1，2=______ _________________。 6、对灰表面，其表面有效辐射等于___本身辐射与反射辐射____之和。 7、在两块无限大的平行平板之间加入一块遮热板，当它们发射率相同时，平行平板之间的辐射换热量将减少为原来的_____1/2_________。 8、气体的辐射和吸收对波长具有_____选择性_________。 9、气体吸收定律说明单色辐射在吸收性介质中传播时是____指数减弱 __________规律。 10、气体辐射和固体辐射相比，通常固体表面的辐射及吸收光谱是连续的，而气体的辐射和吸收是_间断的______的，即气体只能辐射和吸收某一定___波长___范围内的能量。 11、气体辐射和固体辐射相比，固体辐射和吸收是在很薄的__表面 ________层进行，而气体的辐射和吸收则是在_____整个气体容积___中进行。 12、单色辐射减弱系数Kλ是与气体的性质、_____压力_________、 ________温度______及 ___射线波长___________有关。 13、确定气体发射率时，气体容积的射线平均行程S=____ c·4V/A _____________。
第二编热量传输 第十一章辐射换热 辐射换热在金属热态成形产业中是常见的现象，如金属件在炉内的加热，熔化炉中的炉料与发热体之间的换热等。 第一节热辐射的基本概念 一、热辐射与辐射换热 物体中分子或原子受到激发而以电磁波的方式释放能量的现象叫辐射，电磁波所携带的能量叫辐射能。由于电磁波可以在真空中传播，因而辐射能也可以在真空中传播，而导热与对流换热则只在存有物质的空间中才能发生。 激发物体辐射能量的原因或方法不同，产生的电磁波的波长和频率也不相同。电磁波按波长的长短来划分有多种，如图11-1所示。热辐射是由于热的原因而发生的辐射。主要集中在红外线和可见光的波长范围内。 热辐射是物体的一种属性，只要物体的温度高于绝对温度0K，就会进行辐射。因此热量不仅从高温物体辐射到低温物体，同样也从低温物体辐射到高温物体，但是两者辐射的能量不同。 物体在发射辐射能的同时，也在吸收辐射能。辐射换热是指物体之间的相互辐射和吸收过程的总效果。例如工业炉炉壁与周围物体之间由于炉壁温度较高，炉壁向周围辐射的能量多于吸收的能量，这样热量就从工业炉传给周围物体。辐射换热不仅取决于两个物体之间的温度差，而且还取决于它们的温度绝对量。对于导热来说，其热流密度与温度梯度成正比，而对辐射换热来说，热流密度（或辐射力）与辐射物体热力学温度的四次方成正比，即E∝T4。 二、吸收率、反射率、穿透率 当热辐射的能量投射到物体表面上时，同可见光一样有吸收、反射和穿透的现象。 设辐射到物体表面的总能量为Q，其中一部分Qa在进入物体表面后被物体吸收，另一部分能量Qρ被物体反射，其余部分Qτ穿透物体，如教材150页图11-2所示。 根据能量守恒定律得 或 。。。。。。。。。。。。。。。。。（11-1）
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，因而可以作为灰体处理。
第十一章 辐射换热 英文习题 1. Emission of radiation from a light bulb The temperature of the filament of an incandescent light bulb is 2500 K. Assuming the filament to be a blackbody, determine the fraction of the radiant energy emitted by the filament that falls in the visible range. Also, determine the wavelength at which the emission of radiation from the filament peaks. 2. Radiation incident on a small surface A small surface of area A 1=3 cm 2 emits radiation as a blackbody at T 1=600 K. Part of the radiation emitted by A 1 strikes another small surface area A 2=5 cm 2 oriented as shown in Fig.11-1. Determine the solid angle subtended by A 2 when viewed from A 1, and the rate at which radiation emitted by A 1 that strikes A 2. 3. Fraction of radiation leaving through an opening Determine the fraction of the radiation leaving the base of the cylindrical enclosure shown in Fig.11-2 that escapes through a coaxial ring opening at its top surface. The radius and the length of the enclosure are r 1=10 cm and L=10 cm, while the inner and outer radius of the ring are r 2=5 cm and r 3=8 cm, respectively. 4. View factors associated with a triangular duct Determine the view factor from any one side to any other side of the infinitely long triangular duct whose cross-section is given in Fig.11-3. 5. The crossed-strings method for view factors Two infinitely long parallel plates of widths a=12 cm and b=5 cm are located a distance c=6 cm apart, as shown in Fig.11-4. (a) Determine the view factor F 1-2 from surface 1 to surface 2 by using the crossed-strings method, (b) Derive the crossed-strings formula by forming triangles on the given geometry. FIGURE 11-1 FIGURE 11-2
我的笔记(传热学第八章)---辐射换热的计算
第八章 辐射换热的计算 §8-1 角系数的定义、性质及计算 ? 两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大关系 ? a 图中两表面无限接近，相互间的换热量最大；b 图中两表面位于同一平面上，相互间的辐射换热量为零。由图可以看出，两个表面间的相对位置不同时，一个表面发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随之而异，从而影响到换热量。 一. 角系数的定义 角系数是进行辐射换热计算时空间热组的主要组成部分。 定义：把表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数，记为X 1,2。 二. 角系数的性质 ? 研究角系数的性质是用代数法（代数分析法）求解角系数的前提： 假定：（1）所研究的表面是漫射的 （2）在所研究表面的不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的 1、角系数的相对性 ? 一个微元表面到另一个微元表面的角系数 两微元表面角系数的相对性表达式： 1121 1112,11cos b A dA dA b A I d d dA dA X dA E d θ???Ω == ?由发出的落到上的辐射能由发出的辐射能2 2 12,cos cos 21r dA X dA dA πθθ??= 1 221,2,1dA dA dA dA X dA X dA ?=?
2、角系数的完整性 对于由几个表面组成的封闭系统，据能量守衡原理，从任何一个表面发射出的辐射能必全部落到封闭系统的个表面上。因此，任何一个表面对封闭腔各表面的角系数之间存在下列关系： 注：若表面1为非凹表面时，X 1,1 = 0；若表面1为凹表面，X 1,1≠ 0 3、角系数的可加性 注意，利用角系数可加性时，只有对角系数符号中第二个角码是可加的，对角系数符号中的第一个角码则不存在类似的关系。 从表面2上发出而落到表面1上的辐射能，等于从表面2的各部分发出而落到表面1上的辐射能之和。 三、角系数的计算方法 1、直接积分法 按角系数的基本定义通过求解多重积分而获得角系数的方法 2、代数分析法 利用角系数的相对性、完整性及可加性，通过求解代数方程而获得角系数的方法称为代数分析法。 3、几何分析法 §8-2 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热 一、两黑体表面组成的封闭腔间的辐射换热计算 1 ,13,12,11,1=++++n X X X X Λ
第二篇 传热学 第八章 热量传递的基本方式 热量传递有三种基本方式:热传导，热对流，热辐射。 8－1 热传导 在物体内部或相互接触的物体表面之间，由于分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象。 大平壁的一维稳态导热 特点：1.平壁两表面维持均匀恒定不变温度；2.平壁温度只沿垂直于壁面的方向发生变化；3.平壁温度不随时间改变； 4.热量只沿着垂直于壁面的方 向传递。 【热流量】：单位时间导过的热 量,W δλ21w w t t A -=Φ λ: 材料的【热导率（导热系 数）】：表明材料的导热能力，W/(m·K)。 【热流密度】 q :单位时间通过单位面积的热流量 δλ21w w t t A q -=Φ=
λ λδ δλR t t A t t t t A w w w w w w 212 12 1-=-=-=Φ λδλA R =称为平壁的【导热热阻】，表示物体对导热的阻力，单位为K/W 。 8－2 热对流 热对流:由于流体的宏观运动使不同温度的流体 相对位移而产生的热量传递现象。 【对流换热】:流体与相互接触的固体表面之间的热量传递现象，是导热和热对流两种基本传热方式共同作用的结果。 【牛顿冷却公式】: Φ = Ah (t w – t f ) q = h (t w – t f ) h 称为对流换热的【表面传热系数】（习惯称为 对流换热系数），单位为W/(m 2?K)。 【对流换热热阻：】 h f w f w f w R t t Ah t t t t Ah -=-=-=Φ1)( Ah R h 1=称为对流换热热阻，单位为 W/K 。 表面传热系数的影响因素： h 的大小反映对流换热的强弱，与以下因素有关： （1）流体的物性（热导率、粘度、密度、比热
案例1.1 钢水的辐射传热 分析模型 计算 ?分析类型 热，辐射 ?求解方程式 能量守恒方程式 材料属性 气体显示在默认材料属性文件的[fliud(incompressible)]-[air(20c)]中人体（水）密度998.2[kg/m2] 比热容4182[J/(kg.K)] 传热率0.5991[W/(m.K)] 边界条件 ?热边界 热传递边界 钢水：热传导外部温度1727 [℃] 人与空气之间：热传导 其他：热传导外部温度27 [℃] 辐射边界 钢水：辐射率0.3 外部温度1727 [℃] 人与空气之间：辐射率0.9
其他：辐射率1.0 外部温度27 [℃] ?对称边界 Ymax（Y最大值）: 对称边界（绝热的，镜面） 初始工况 温度（所有的）27[℃] 具体条件 辐射射线数量24 计算方法 瞬态分析用时=5分钟 步长=3.0秒 网格 元件数量72*49*58=204624 ?[Basic Setting]选项 ?顶点探测有代表性的 ?划分网格的方法粗网格和细网格 几何比率（内部的） 1.1 几何比率（外部的） 1.2 底部构筑物标准长（20,20,20） 底部构筑物网格元件大小的极值（10,10,10）设置指南
1.[Computational Domain (2/6)Step] 打开[Coordinate system]（坐标系），选择[Cartesian coordinate] （直角坐标） 关于矩形子域的大小问题，在[minimum value]处输入（0,0,0）， [Maximum value]处输入（3000,2300,3000） 2.[Analysis Type (3/6)step] ?按照下表选择分析类型 3.[Initial Value/Gravity (4/6)step]（初始值） ?[Unit of reference temperature]（参考温度单位）栏目中选入[C] ?[ Default value of temperature]（默认温度值）和[Initial temperature of solid]（固体初始温度）中分别输入[27][℃] ?[Default value of emissivity]（辐射率默认值）中输入[1] ?创建分析模型和注册区 1.用Cuboid（立方体）创建只有两部分的人体，并赋予其材料属性 2.用Panel（面板）创建钢水（条件区域边界） ?工况向导 1.[Analysis Type]（分析类型） ?勾选[heat]和[Radiation], 并选择[FLUX method]（通量法） ?选择[Transient analysis]（瞬态分析） 2.[Initial Condiyion]（初始工况）- ?将[Temperature]的初始值[27][℃]设置到这个区域（硬件部分的初始温度） 3.[Boundary Condition]（边界条件）-[Thermal Boundary]（热边界） ?按照下表设置Heat Transfer（热传递） ?按下表设置Radiation（辐射）
11-1 某种玻璃对波长0.4~2.5 μm 范围内的射线的透射比近似为0.95，而对其它波长射线的透射比近似为0，试计算此玻璃对温度为1500 K 、2000 K 和6000 K 的黑体辐射的透射比。 解：由题意： 当温度为1500K 时， K m T ?=?=μλ6004.015001 K m T ?=?=μλ37505.215002 查黑体辐射函数表，有%0) 0(1 =-T b F λ,%385.43)0(2=-T b F λ 此玻璃的透射比为：%216.41)95.0)0()0(12 =-? --T b T b F F λλ（ 当温度为2000K 时， K m T ?=?=μλ8004.020001 K m T ?=?=μλ50005.220002 查黑体辐射函数表，有%0) 0(1 =-T b F λ,%41.63)0(2=-T b F λ 此玻璃的透射比为：%2395.60)95.0)0()0(12 =-? --T b T b F F λλ（ 当温度为6000K 时， K m T ?=?=μλ24004.060001 K m T ?=?=μλ150005.260002 查黑体辐射函数表，有%05.14) 0(1 =-T b F λ,%885.96)0(2=-T b F λ 此玻璃的透射比为：%693.78)95.0)0()0(12 =-? --T b T b F F λλ（ 当温度为6000K 时， K m T ?=?=μλ24004.060001 K m T ?=?=μλ150005.260002 查黑体辐射函数表，有%05.14) 0(1 =-T b F λ,%885.96)0(2=-T b F λ 此玻璃的透射比为：%693.78)95.0)0()0(12 =-? --T b T b F F λλ（ 11-2 某黑体辐射最大光谱辐射力的波长8 .5max =λμm ，试计算该黑体辐射在波长1~5 μm 范围内 的辐射能份额。 解：由维恩位移定律，可以计算得到该黑体温度