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热辐射热量通过空气中的辐射传播热辐射是热量以电磁波的形式传播的过程，无需介质参与传导。
当物体的温度高于绝对零度时，就会发出热辐射。
在热辐射传播中，空气是一个重要的媒介。
本文将探讨热辐射热量如何通过空气中的辐射传播。
一、热辐射的基本原理热辐射是一种能量传递方式，它的传播不需要介质的辅助。
物体的温度越高，辐射的能量越大。
热辐射的能量以电磁波的形式传播，其中包括可见光、红外线和紫外线等。
在常温下，物体主要以红外线的形式发出热辐射。
二、热辐射的传播过程热辐射的传播过程可以分为三个阶段：辐射、传输和吸收。
1. 辐射在辐射阶段，热源向周围发出电磁波辐射。
这些辐射波长的大小取决于物体的温度。
高温物体发出的辐射波长较短，而低温物体发出的辐射波长较长。
当热辐射接触到空气时，一部分辐射能量会被空气吸收或散射，进而影响辐射的传播。
2. 传输在传输阶段，热辐射的电磁波在空气中传播。
空气中的分子和粒子会与辐射波相互作用，从而改变辐射的传播方向和强度。
辐射在空气中传播时，会遇到折射、散射和吸收等现象，导致热辐射的能量逐渐减弱。
3. 吸收在吸收阶段，热辐射的电磁波被物体吸收。
能量吸收会使物体的温度升高。
不同物体对热辐射的吸收能力不同，这取决于物体的材料和表面特性。
三、空气中的辐射传播空气在热辐射传播中起到了重要的作用。
由于空气的透明性，可见光可以穿透空气，但大部分的红外线和紫外线会被空气吸收或散射。
当有物体发出热辐射时，热辐射会在空气中传播，同时受到空气的散射和吸收而衰减。
因此，空气中的辐射传播过程会导致热辐射能量的损失。
四、热辐射传播中的影响因素在热辐射传播中，有许多因素会影响传播的效果。
1. 温度热辐射的能量与物体的温度呈正相关。
温度越高，热辐射的能量越大，传播距离也会增加。
2. 物体的表面特性不同材料的表面特性不同，对热辐射的吸收和反射也不同。
光亮和平滑的表面对热辐射的吸收能力较小，而暗和粗糙的表面则对热辐射的吸收能力较大。
热辐射的原理和应用1. 热辐射的概念热辐射是指所有物体都会发出的由于温度而产生的电磁波辐射。
热辐射无需通过介质传递，可以在真空中传播。
热辐射的频率和强度取决于物体的温度和发射能力。
2. 热辐射的原理热辐射是由于物体内部的热运动引起的。
根据普朗克辐射定律，物体发射的辐射功率与频率、温度和发射率有关。
根据斯蒂芬—波尔兹曼定律，物体的辐射功率正比于其表面的温度的四次方。
热辐射的频率分布由温度所决定，低频部分占据辐射功率的主要部分。
3. 热辐射的特性•黑体辐射：黑体是指具有完美吸收和完美辐射的特性的物体，它的辐射功率被称为黑体辐射。
黑体辐射的频率分布与温度有关，当物体温度升高时，辐射功率的峰值会向高频率方向移动。
•发射率：发射率是物体辐射的能力与黑体辐射的能力之比。
发射率介于0和1之间，完美吸收体的发射率为1，完全不发射辐射的物体的发射率为0。
•吸收率：吸收率是物体吸收入射辐射能力与吸收黑体辐射能力之比。
吸收率也介于0和1之间，完全吸收入射辐射的物体的吸收率为1，完全不吸收辐射的物体的吸收率为0。
4. 热辐射的应用热辐射在许多领域都有广泛的应用，下面列举了一些常见的应用：4.1. 热成像技术热成像技术利用物体发出的红外辐射进行图像显示。
这种技术可以无需实际接触物体的情况下获取其温度分布。
热成像技术广泛应用于建筑、医学、军事等领域。
4.2. 红外线加热红外线加热利用物体发射的红外辐射来加热。
由于红外辐射可以直接转化为热能，红外线加热可以实现快速、均匀的加热效果。
红外线加热被应用于工业烘干、食品加热等领域。
4.3. 太阳能利用太阳辐射可以被转化为电能或热能。
光伏发电利用太阳辐射的光能来产生电能，热水器利用太阳辐射的热能来加热水。
太阳能利用是可再生能源的一种重要形式。
5. 热辐射的保护由于热辐射具有高渗透性和吸热能力，对人体和设备造成的潜在危害。
因此，在某些应用中需要采取措施来保护人体和设备免受热辐射的伤害。
热辐射物体的辐射和吸收热辐射是指物体因其温度而发出的电磁辐射。
所有物体都具有热辐射的能力，且辐射的能量与物体的温度有关。
在本文中，我们将探讨热辐射物体的辐射和吸收过程，以及相关的基本概念和特性。
1. 热辐射的基本概念热辐射是物体由于其温度而发出的电磁辐射，其中包括了可见光、红外线和紫外线等各种波长的光谱。
根据普朗克辐射定律，热辐射的能量与其频率和温度有关。
热辐射的强度随着温度的升高而增加，并且在不同波长处的能量分布也随之改变。
2. 热辐射的特性热辐射具有以下几个基本特性：(1) 黑体辐射：黑体是一种理想化的物体，它能够完全吸收并完全辐射热能。
根据斯蒂芬-博尔兹曼定律，黑体辐射的能量与其表面积和温度的四次方成正比。
(2) 反射、透射和吸收：除了黑体外，其他物体对热辐射的反射、透射和吸收程度都不同。
根据基尔霍夫定律，物体对热辐射的吸收率和发射率相等。
(3) 热辐射的波长分布：根据维恩位移定律，热辐射的波长分布主要受到物体温度的影响。
较低温度的物体主要以长波长的红外线辐射为主，而较高温度的物体则主要以短波长的可见光辐射为主。
3. 热辐射物体的辐射过程热辐射物体的辐射过程可以分为以下几个步骤：(1) 辐射源产生辐射：辐射源是产生热辐射的物体，其温度决定了辐射的强度和频率分布。
辐射源将其热能转化为电磁辐射，并向周围空间发射。
(2) 辐射的传播：辐射在空间中以电磁波的形式传播，其传播速度为光速。
辐射的传播路径可以受到空气、气体或其他物体的影响，例如折射、反射和散射等。
(3) 辐射的接收：辐射到达其他物体表面时，可以被吸收、反射或透射。
物体的吸收率和表面性质有关，吸收的辐射能量将使其温度升高。
(4) 辐射的平衡：当物体处于热平衡时，它将吸收与其自身发射相等的热辐射能量。
这就是基尔霍夫定律所描述的吸收率和发射率相等的情况。
总结热辐射是物体由于其温度而发出的电磁辐射，其能量与温度、频率和波长等因素有关。
热辐射物体在辐射、传播和接收过程中，遵循基尔霍夫定律和维恩位移定律等基本规律。
《热辐射》讲义一、热辐射的基本概念热辐射，简单来说，就是物体由于自身的温度而向外发射电磁波的现象。
这种现象在我们的日常生活中无处不在，比如太阳的光和热就是通过热辐射传递到地球的。
物体的温度越高，它所发射的电磁波的能量就越大，波长就越短。
这是因为温度升高会使物体内部的分子和原子运动加剧，从而产生更多、更强的电磁辐射。
与热传导和热对流不同，热辐射不需要任何介质就可以在真空中传播。
这使得热辐射在宇宙空间等真空环境中成为热量传递的重要方式。
二、热辐射的特点1、无需介质热辐射的传播不需要依靠任何物质介质，它能够在真空中以光速进行传播。
这一特点使得热辐射在宇宙中的能量传递中起着至关重要的作用。
2、温度决定辐射强度物体的温度直接决定了热辐射的强度和波长分布。
高温物体发射出的电磁波能量高、波长较短，而低温物体则发射出能量较低、波长较长的电磁波。
3、具有方向性热辐射并不是均匀地向各个方向发射的，其发射方向与物体的表面形状、温度分布等因素有关。
4、遵循黑体辐射定律黑体是一种能够完全吸收所有入射辐射，并以最大效率发射辐射的理想物体。
黑体辐射定律描述了黑体的辐射能量与波长、温度之间的关系，对于研究热辐射现象具有重要意义。
三、热辐射的定律和公式1、斯特藩玻尔兹曼定律该定律表明，黑体的辐射出射度与绝对温度的四次方成正比。
用公式表示为：＄M ＝＼sigma T^4$，其中$M$ 是黑体的辐射出射度，＄＼sigma$ 是斯特藩玻尔兹曼常量，＄T$ 是黑体的绝对温度。
2、维恩位移定律它指出黑体辐射的峰值波长与绝对温度成反比。
公式为：＄＼lambda_{m}T ＝ b$，其中$＼lambda_{m}＄是黑体辐射的峰值波长，＄b$ 是维恩常量。
四、热辐射的应用1、工业加热在工业生产中，利用热辐射原理的加热设备，如红外线加热炉，可以实现高效、均匀的加热，广泛应用于金属加工、陶瓷烧制等领域。
2、太阳能利用太阳能热水器和太阳能电池板都是利用太阳的热辐射来获取能量的。
一、实验目的1. 理解热辐射的概念及其原理。
2. 掌握热辐射的基本规律。
3. 通过实验验证热辐射现象。
二、实验原理热辐射是指物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。
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。
热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围从无线电波到γ射线。
热辐射的能量分布遵循斯特藩-玻尔兹曼定律，即物体单位表面积在单位时间内辐射的能量与温度的四次方成正比。
数学表达式为：E = σT^4，其中E为辐射能量，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，T为物体的绝对温度。
三、实验器材1. 红外热像仪2. 热辐射源（如红外灯泡）3. 温度计4. 支架5. 实验台6. 实验记录表四、实验步骤1. 准备实验器材，将红外热像仪、热辐射源、温度计等固定在实验台上。
2. 将红外热像仪对准热辐射源，调整距离，使成像清晰。
3. 记录热辐射源的温度。
4. 打开热辐射源，观察红外热像仪的成像情况，记录实验数据。
5. 关闭热辐射源，观察红外热像仪的成像情况，记录实验数据。
6. 对比两次实验数据，分析热辐射现象。
五、实验结果与分析1. 实验结果显示，热辐射源在开启状态下，红外热像仪成像清晰，温度计显示温度升高。
2. 关闭热辐射源后，红外热像仪成像逐渐变暗，温度计显示温度降低。
3. 对比两次实验数据，发现热辐射现象明显，温度与辐射强度成正比。
六、实验结论1. 热辐射现象确实存在，物体在温度升高时会辐射电磁波。
2. 热辐射的强度与物体温度的四次方成正比。
3. 实验结果与理论分析相符，验证了热辐射现象。
七、实验讨论1. 本实验通过红外热像仪和温度计验证了热辐射现象，为实际应用提供了实验依据。
2. 在实际应用中，热辐射现象广泛应用于红外成像、红外测温、红外遥感等领域。
3. 在实验过程中，需要注意实验环境的稳定，确保实验数据的准确性。
八、实验总结本次实验成功验证了热辐射现象，使我们对热辐射有了更深入的了解。
在今后的学习和工作中，我们将继续关注热辐射现象，探索其在各个领域的应用。
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5.67×10-86.2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dAI 及dAJ，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/MultiphysicsANSYS/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)可以将上面四种辐射方法中的任何一种用于稳态或瞬态热分析中。
辐射是一种非线性现象，因此需要进行平衡迭代来得到收敛解。
6.4节点间的热辐射非线性线单元LINK31用于计算两节点间或多对节点间的简单辐射热传递，节点的位置是任意的，可作为其它单元的节点。
LINK31需要定义如下数据： 材料属性：EMIS辐射率（可以随温度变化）实常数：AREA（Ai）（有效辐射面积）FORMF（Fij）（形状系数）SBCONST（Stefan-Boltzman常数）有关LINK31的使用实例，请参考《ANSYS 校验手册》：VM106Radiant energy emissionVM107Thermocouple radiation6.5点与面间的热辐射应用表面效应单元可以方便地计算点与面间的辐射，包括2D的SURF151及3D的SURF152单元：首先在实体单元的辐射表面覆盖一层表面效应单元；单元关键选项KEYOPT(9)激活这些单元的热辐射分析功能；如果设置KEYOPT(9)＝1（缺省值），则可在单元实常数中定义形状系数；如果设置KEYOPT(9)＝2或3，则程序基于单元表面的法向与附加节点的位置关系、考虑余弦效应，计算形状系数。
使用表面单元进行热辐射分析的实例，请参考《ANSYS 校验手册》：VM192Cooling of a billet by radiation6.6AUX12―辐射矩阵生成器只有ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/Thermal等产品提供AUX12，用于计算多个辐射面之间的辐射热传递。
AUX12生成辐射面间的形状系数矩阵，并将此矩阵作为超单元用于热分析。
分析模型可包含隐藏面或部分隐藏面，以及能吸收辐射能量的“空间节点”。
使用AUX12计算面与面之间的辐射可分为以下三个步骤：定义辐射面生成辐射矩阵将辐射矩阵用于热分析6.6.1定义辐射面分析类型图6-1 二维和三维的辐射面图6-2辐射面上覆盖的单元在2D有限元模型的辐射边上覆盖一层LINK32单元，或在3D有限元模型的辐射面上覆盖一层SHELL57单元，步骤如下：在前处理中创建热分析模型。
由于辐射表面不支持对称条件，包含辐射的模型就无法利用几何上的对称性，因此必须建立完整的分析模型。
二维和三维的辐射面示意图6-1如下：在辐射面上覆盖一层SHELL57（3D）或LINK32（2D）单元，如图6-2所示。
最好的方法是先选择辐射面的节点，然后用下面的方法创建面上的单元： 命令：ESURFGUI:Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf Effect>Extra Node Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf Effect>No extra Node在执行上述命令之前，要确定首先激活了相应的单元类型及材料属性，如果不同辐射面的辐射率不同，建议用材料编号来区分这些面。
还要注意SHELL57或LINK32的节点一定要与相应实体单元对应节点编号重合。
否则计算结果将是错误的。
所覆盖的SHELL57或LINK32单元的方向是非常重要的。
AUX12假设辐射方向是SHELL57单元坐标系的正Z向或LINK32单元坐标系的正Y向，因此必须正确地划分覆盖层的网格以使辐射面相对。
单元的方向是由节点的排列顺序决定的，如下图所示:图6-3 覆盖单元的方向显示单元辐射方向的方法如下：命令：/PSYMB,ESYS,1GUI: Utility Menu>PlotCtrls>Symbols, 将ESYS Element Coordinate设置为ON。
定义一个空间节点，用于吸收没有被模型中其它辐射面吸收的辐射能量。
这个节点的位置是任意的，对于一个开放系统通常需要空间节点，而对于封闭系统则不得设置空间节点6.6.2生成辐射矩阵计算辐射矩阵可按如下的步骤完成：1．进入Aux12命令：/AUX12GUI：Main Menu>Radiation2. 选择构成辐射面的节点和单元。
较简便的方法是根据单元属性选择（如单元类型）选择单元，然后选择所有Attached to单元的节点（同时应注意将空间节点也选择进来）:命令：ESEL,S,TYPE和NSELGII:Utility Menu>Select>Entities3. 确定所分析的模型是3D还是2D命令：GEOMGUI:Main Menu>Radiation Matrix>Other SettingsAUX12采用不同的算法分别计算2D和3D模型的形状系数，AUX12默认为3D。
2D可以是平面的（NDIV＝0），也可以是轴对称的（NDIV >0），缺省为平面的。
轴对称模型在内部展成3D，NDIV是圆周方向分割数量。
例如NDIV＝10，则每段为36度。
4．确定辐射率（缺省为1.0）：命令：EMISGUI:Main Menu>Radiation Matrix>Emmisivities5. 定义Stefan-Baltzmann常数（缺省情况下，英制单位为0.119×10-10Btu/hr-in2-R4，国际单位制为5.67×10－8W/m2K4）。
命令：STEFGUI：Main Menu>Radiation Matrix>Other Settings6. 确定计算形状系数的方法。
命令：VTYPEGUI:Main Menu>Radiation Matrix>Write Matrix可选择非隐藏或隐藏两种方法之一，非隐藏方法计算每个单元对其它单元的形状系数，无论两单元之间是否有阻碍；隐藏方法（默认）首先用“隐藏线”算法确定两单元之间是否“可见”，如果目标单元与辐射单元的辐射方向指向对方，而且设有其它单元阻碍，则它们是“可见”的，形状系数按如下方法计算：每一个辐射单元被封闭成一个半径为单位值的半球（3D）或半圆（2D）；所有的目标单元向这个半球或半圆投影；一定数量（默认为20）的射线由辐射单元面投向半球或半圆。
这样，形状系数就是投到投影面上的射线数量与辐射面发出的射线的数量之比，通常设定的射线数量越多，形状系数的精度越高。
可以通过设定VTYPE命令的变量NZONE或上述的菜单来设定射线数量7．如果有必要（例如开放系统），应指定空间节点：命令：SPACEGUI:Main menu>Radition>Matrix>Other Settings8．将辐射矩阵写到文件jobname.sub中,如果想要写更多的辐射矩阵，为不同的矩阵指定不同的文件名：命令：WRITEGUI: Main Menu>Radiation Matrix>Write Matrix如果需要打印出辐射矩阵，应在执行Write命令之前执行命令：mprint,1。
9．选择所有节点及单元命令：ALLSELGUI:Utility Menu>Select>Everything现在就已经将辐射矩阵作为一个超单元写入到一个文件中了。
6.6.3 使用辐射矩阵进行热分析生成了辐射矩阵之后，重新进入前处理器，定义作为超单元的辐射矩阵。
步骤如下：1．重新进入前处理器，选择单元MATRIX50（超单元），并设置单元Keyoption 为热辐射分析。
命令：/PREP7GUI： Main Menu>Preprocessor2．设置缺省单元类型为超单元命令：TYPEGUI:Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Elem Attributes3．读入辐射超单元矩阵命令：SEGUI:Main Menu>Reprocessor>Create>Elements–Super elements-From .SUB 4．不选择或删除用于生成辐射矩阵的SHELL57或LINK32单元,因为在热分析中已经不再需要了。
