第六章 热辐射分析
热辐射热量通过空气中的辐射传播
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。
第6章热辐射的基本定律PPT课件
１、基本概念
辐射：物体通过电磁波来传递能量的方式。
热辐射:由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。
辐射传热:物体之间相互辐射和吸收的总效果。
1
整体概述
概述一
点击此处输入
相关文本内容
概述二
点击此处输入
相关文本内容
概述三
点击此处输入
相关文本内容
0.38
0.76
图8-1 电 磁 辐 射 波 谱
5
红外辐射的应用 以波长25μm为界，分为近红外线和远红外线 远红外线加热技术的应用 微波： λ＝1mm～1m λ>1m的电磁波广泛应用于无线电技术中。
6
3. 物体表面对电磁波的作用
（1）吸收比、反射比和穿透比之间的一般关系 当热辐射投射到物件上时，遵循着可见光的规律，其中部 分被物体吸收，部分被反射，其余则透过物体。
维恩位移定律：确定黑体的光谱辐射力峰值所对于的最 大波长。
26
6.3 实际物体的辐射和吸收
7.3.1 实际物体的辐射力
同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，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；
因此定义发射率 (也称为黑度) ：相同温度下，实际物体
的辐射力与黑体辐射力之比:
E 0 ()Ebd
Eb
T4
单色黑度：实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：
() E
Eb
方向黑度：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强
度之比：
() I() I() Ib() Ib
35
7.4 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系
7.4.1 实际物体的吸收比
热辐射的原理和应用
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
《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。
第6章 辐射及辐射传热(1)
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射
物质会因受到各种不同方式的作用而发射电磁波
热辐射： ——由于物体内部热运动状态的改变而将部分内能转 化成电磁波而发射出去的过程
——辐射能是由与温度有关的内能转化而来的 能够发射热辐射是自然界中物体的特性之一 传热学中只研究热辐射
6.1 热辐射的基本概念
Hale Waihona Puke 辐射中的温度：（1）工业高温：< 2000K——红外辐射 （2）太阳高温：～6000K——太阳辐射
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射
辐射：物体向外界以电磁波的方式发射携带能量的粒 子的过程
宏观－连续的电磁波 微观－不连续的光子 电磁波的本质：具有一定能量的光子(粒子) 辐射能：辐射粒子所携带的能量
Planck基于量子理论得到了黑体的光谱辐射力与波长的
关系
Eb
e
c2 ( T )
c1
5
1
6-2 黑体辐射的基本定律
6.2.2 黑体辐射的基本规律／波长特性
Eb
e
c2 ( T )
c1
5
1
式中， λ— 波长，m ；
T — 黑体温度，K ； c1 — 第一辐射常数，3.742×10-16 Wm2；
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／立体角
6.1 热辐射的基本概念
6.1.3 辐射力与辐射强度／立体角
微元立体角，与半径无关
dAs d 2 sin d d r
半球空间的立体角为2π sr 引入立体角的目的：衡量表面辐射的方向特性 表面在半球空间辐射的能量按不同方向分布的规律只有 对不同方位中相同的立体角来比较才有意义
热辐射
基础
热辐射温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，当温度为300℃时热辐射中最强的波长在红外区。当 物体的温度在500℃以上至800℃时，热辐射中最强的波长成分在可见光区。
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。
热辐射
具有温度而辐射电磁波的现象
01 基础
03 特点
目录
02 发展历史 04 概念
热辐射，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传播。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。
发展历史
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。 M.Planck1884年L.Boltzmann从理论上证实了上述定律。1896年Wien位移定律。 19世纪末L.Rayleigh-公式。 1900年M.Planck定律。 2013年国内首次探测到系外行星热辐射，并研究其大气性质。 2021年山西大学近场热辐射研究获重要进展。
特点
热辐射的特点： 1、任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围空间发出热辐射； 2、可以在真空和空气中传播； 3、伴随能量形式的转变； 4、具有强烈的方向性； 5、辐射能与温度和波长均有关； 6、发射辐射取决于温度的4次方。
概念
人体热辐射 （1）辐射：物体以电磁波的方式向外传递热量的过程。 （2）辐射能：物体以电磁波的方式向外传递的能量。 通常以辐射表示辐射能。 （3）热辐射：因热引起的电磁波辐射称为热辐射。它是由物体内部微观粒子在运动状态改变时所激发出来的。 激发出来的能量分为红外线、可见光和紫外线等。其中红外线对人体的热效应显著。 （4）能量转换：内能->辐射能->内能 A物体（发射）---->B物体（吸收） （5）辐射换热：是指物体之间相互辐射和吸收过程的总效果。当物体的温度处于平衡时，则它们之间辐射和 吸收的能量相等，处于热的动平衡状态。 （6）电磁波的速率、波长和频率的关系： c=nl 电磁波的特性取决于波长或频率。在热辐射分析中通常用波长来描述电磁波。
工程传热学第六章-热辐射
E 为辐射力，其单位为 W/m2； dQ 为微元面积 dA 向半球空间辐射出 去的总辐射能。
2.单色辐射力
E
d
Q
d2Q
dA ddA
单色辐射力被定义为单位时间单位 辐射面积向半球空间辐射出去的某一 波长范围的辐射能量，用来描述辐射 能量随波长的分布特征。
辐射力和单色辐射力之间的关系：
E E d
可见光
玻璃暖房
温室效应
CO2
❖ 全球变暖 ❖ 海平面上升 ❖ 土地沙漠化 ❖ 男女比例失调
……
国家“十三五规划” 明确提出了节能减 排的目标
➢ 到2020年，单位GDP二氧化碳排放 降低40-45%（较2005）；
➢ 非化石能源占一次能源消费比重提 高到15%；
辐射源温度对吸收比的影响是因为实际物体的 单色吸收比不等于常数的缘故。
有时以波长25μm为界，又将红外线区分为近红 外区和远红外区。
热射线
射线
紫外线
X射线
可 见
光
红外线
无线电波
0 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 /m
2. 特点
①不需要物体直接接触。可在真空中传 递(最有效）
②有能量的转化。
③只要T>0K,就有能量辐射。 ④物体的辐射能力与其温度性质、形状
cos cos
I Ib
如果实际物体的方向辐射力遵守兰贝 特定律，该物体表面称为漫射表面。 黑体表面就是漫射表面。
对于非金属表面在很大范围内方向黑度为 一个常数值，表现出等强辐射的特征，而 在60°之后方向黑度急剧减小
对于金属表面在一个小的φ角范围内亦 有等强辐射的特征，方向黑度可视为不 变，然后随着φ角增大而急剧增大，直 到φ接近90°才有减小。
传热学：第六章 热辐射及辐射传热
E
E 0 Ed
Planck基于量子理论得到了黑体的光谱辐射力与
波长的关系
Eb
c15
ec2 (T ) 1
式中， λ— 波长，m ； T — 黑体温度，K ； c1 — 第一辐射常数，3.742×10-16 Wm2； c2 — 第二辐射常数，1.4388×10-2 WK；
❖ （1） 黑体辐射的波谱是连续的 ❖ （2）温度越高，黑体的辐射能力越强
❖ 热射线——由于热的原因而产生的、波长介于 为0.1～100μm的电磁波
❖ 热射线特点： ❖ ——具有电磁波的一般共性，能够以光速传播 ❖ ——电磁波的直线传播、投射、反射、折射等
也都适用于热射线 ❖ ——投射到其他物体表面后能引起明显的热效
应
❖ 6.1.2 辐射传热 ❖ ——不直接接触的物体之间，由于各自辐射和
❖ 可见（有效）辐射面积——是指从空间某个方 位所见到的表面有效面积
❖ 定向辐射（强）度——单位时间内，单位可见辐 射面积向空间某一方向的单位立体角内发出的总 辐射能（发射＋反射）
❖ 用Lp表示，单位是W/(m2.sr)
Lp (
,)
d( ,) dAcos d
❖ 反映了物体向空间不同方向发射辐射能的强度 ❖ 因定向辐射强度永远和空间特定方向联系在一起
1
吸收比、反射比和透射比属于物体的辐射特性， 取决于物体的种类、温度和表面状况，一般是波 长的函数
❖ 说明1：绝大多数固体和液体是不透明的 ❖ 因为辐射能进入固体和液体表面后，在极短的距
离内就被吸收完 ❖ 例如对金属导体，这个距离只有1μm的数量级，
对于大多数的非导电材料，这个距离也小于1mm
❖ 用“E”表示，W/m2 ❖ 辐射力表述了物体在一定温度下发射辐射能本
热辐射现象实验报告
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。
辐射传热第六章
6.1.1 影响计算方法的因素
固体表面间辐射换热的计算方法有好多种，它和下 列因素有关： (1)辐射换热系统的辐射物性、几何特性和表面温度 分布。 这些区别使计算方法有所不同，对于实际物体的辐 射换热，以上三个因素往往不是各自独立的，而是 相互关联的。对于辐射换热问题中很多的假定，这 些假定使上述三个影响因素不相互关联的程度越大， 计算方法越简单。
一种是划假想面，将其变为封闭系统。如外界 投射辐射 是漫射、均匀的，则此假想面可 认为是黑体，其温度为
所有计算公式与式(6-6)(6-7)等相同。如果外 界投射辐射是具有方向性的，如太阳投射， 则此假想面必须是漫吸收，定向发射的黑体 面。
第二种方法不用假想面，在式(6-3)中加上外界 投射辐射项，即
6.2净热量法
利用表面的投射辐射、有效辐射的概念，建 立表面内部平衡式或外部平衡式，可以得到 各表面的净热量、角系数、温度、辐射物性 的相互关系。净热量法就是利用到这些原理 的一个主要方法。 本节介绍净热量法的均温与非均温表面两种 计算法，并对重辐射面的计算特点也作一些 介绍。
6.1.2等温表面的辐射换热计算
6.5射线踪迹法
特点是：跟踪物体辐射出的辐射能束，观察 从发生到消失过程中它的一切行为。射线踪 迹法比较繁杂，稍微复杂一些的问题，计算 起来就相当麻烦。此种方法仅对于分析吸收 率较大物体的近似计算有优点。 下面通过两个例子说明。
6.7辐射积分方法解法的简介
在工程辐射换热系统中，满足有效辐射均匀 的面很少，要使计算比较准确，需要用微元 面。这样，控制方程就呈现积分方程的形式， 这些方程是线性积分方程，它的一些解法在 数学手册或教材中有阐述。例如逐次迭代法， 线性方程组逼近法，变分法，可分离核的近 似方法等．
传热学-第6章 热辐射及辐射传热
Φ
Eb J
1
A
1
A
为表面辐射热阻
表面辐射热阻 网络单元
对于黑体表面，=1，表面辐射热阻
为零。
三、空间辐射热阻
离开表面1并落到表面2的辐射能为 12 J1 A1 X 1,2 离开表面2并落到表面1的辐射能为 21 J 2 A2 X 2,1
A2, T2, J2
两个表面的净辐射传热量为 Φ1,2 J1 A1 X1,2 J2 A2 X 2,1
三、维恩位移定律(1893年)
maxT 2.8976 10 2 2.9 10 2 m K
黑体辐射曲线
用它可测定太空星体表面温度，也可用来选择对特定地物的监测波段，如火灾检测。 解释现象：一铁块放入高温炉中加热，从辐射的角度分析铁块的颜色变化过程。
T 5800K,
m
2898 5800
0.5m
根据角系数的完整性和互换性，有
X1,2 X1,3 1 X 2,1 X 2,3 1 X 3,1 X 3,2 1 A1 X1,2 A2 X 2,1 A1 X1,3 A3 X 3,1
A2 X 2,3 A3 X 3,2
三个无限长非凹表面组成的封闭系统
通过求解这个封闭的方程组，可得所有角系数，
第6章 热辐射及辐射传热 Radiation Heat Transfer
6.1 热辐射的基本概念 6.2 黑体辐射基本定律 6.3 实际物体的辐射特性 6.4 角系数 6.5 灰体表面间的辐射传热 6.6 遮热板及其应用 6.7 辐射传热系数
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射 辐射: 辐射是物体通过电磁波的传递能量的现象。 可见光 0.38～0.76μm
对于表面 2 q E Eb 当热平衡时, q 0, 则 E Eb
第6章辐射及辐射传热(2)详解
6.3.2 角系数及计算
1 角系数的定义式
根据角系数和定向辐射强度的定义，并利用兰贝特定律
X1,2
1 A1
A1
A2
cos1 cos2 r 2
dA1dA2
X 2,1
1 A2
A1
A2
cos1 cos2 r 2
dA1dA2
6.3.2 角系数及计算
2 角系数的性质
❖ （1）角系数纯是几何因子
❖ 平行放置、相距很近的两个大平板 －忽略边缘效应
X1,2 X 2,1 1
❖ 凸表面1被另一黑体凹表面2包围
X1,2 1
X 2,1
A1 A2
X 1, 2
A1 A2
6.3.2 角系数及计算
3 角系数的计算
（c）几种特殊几何关系的角系数
6.3.2 角系数及计算
3 角系数的计算 （3）查图法 ——为便于工程应用，已将大量几何结构的角系数求解 结果绘制成曲线
X1,ac
2ab
作辅助面ad构造封闭空腔abd
X1,bd
ab bd ad 2ab
6.3.2 角系数及计算
3 角系数的计算
X 1,2
ad
bc ac
2ab
bd
X 1,2
交叉线长度之和 非交叉线长度之和 2倍表面1的横断面线段长度
❖ ——交叉线法
6.3.2 角系数及计算
3 角系数的计算 （c）几种特殊几何关系的角系数
注意：曲线适用的表面在几何形状及方位上的要求 ——可查阅传热学手册、辐射传热手册
6.3.3 黑体表面间辐射传热的计算（下）
❖ 两个黑体表面之间的净换热量
1,2 Eb1 A1 X1,2 Eb2 A2 X 2,1
《热辐射》 讲义
《热辐射》讲义一、热辐射的基本概念当我们在寒冷的冬天靠近火炉，会感到温暖；在夏日的阳光下，皮肤会被晒热。
这些现象背后的原理就是热辐射。
热辐射，简单来说，就是由物体自身温度所引起的，以电磁波形式向外传递能量的过程。
它与我们常见的热传递方式——热传导和热对流有着明显的区别。
热传导需要物体之间的直接接触，热对流则依赖于流体的流动来传递热量，而热辐射不需要任何介质，在真空中也能进行。
所有温度高于绝对零度（约为－27315 摄氏度）的物体都会不停地向外辐射能量。
这意味着，哪怕是一块冰冷的石头，或者遥远的恒星，都在时刻进行着热辐射。
二、热辐射的特点1、不需要介质热辐射的一个显著特点就是它可以在真空中传播。
这与热传导和热对流截然不同。
想象一下太阳的能量能够穿越浩瀚的宇宙空间到达地球，靠的就是热辐射。
2、与温度密切相关物体的温度越高，热辐射的能力就越强。
例如，烧红的铁块比常温下的铁块辐射出的热量要多得多。
而且，热辐射的波长分布也与温度有关。
温度较低时，主要辐射出较长波长的红外线；温度升高，波长逐渐变短，会出现可见光，甚至紫外线。
3、遵循一定的规律热辐射遵循斯特藩玻尔兹曼定律、维恩位移定律等。
斯特藩玻尔兹曼定律表明，黑体的辐射出射度与热力学温度的四次方成正比。
维恩位移定律则指出，黑体辐射光谱中辐射强度的峰值波长与绝对温度成反比。
三、热辐射的影响因素1、物体的材料和表面特性不同材料的物体，其热辐射的能力和吸收能力是不同的。
比如，黑色的物体通常比白色的物体更善于吸收和辐射热量。
物体的表面粗糙度也会产生影响，粗糙的表面比光滑的表面更有利于热辐射。
2、物体的温度如前所述，温度是决定热辐射强弱的关键因素。
温度越高，热辐射越剧烈。
3、环境温度周围环境的温度会影响物体与环境之间的热交换。
当物体温度高于环境温度时，物体向外辐射热量；反之，物体吸收热量。
四、热辐射在生活中的应用1、取暖设备常见的电暖器、红外线取暖器等，都是利用热辐射的原理来为我们提供温暖。
热的辐射与吸收
热的辐射与吸收热辐射是一种能量传播方式，它是由物体因高温而散发出的电磁波，可以被其他物体吸收或反射。
热辐射在日常生活中扮演着重要的角色，我们可以通过了解热辐射及其吸收的原理来更好地理解和应用这一现象。
一、热辐射的基本概念与特性热辐射是任何温度高于绝对零度（-273.15°C）的物体所发射的电磁波。
根据物体的温度，热辐射的波长范围也不同。
根据斯特藩-玻尔兹曼定律，热辐射功率与物体的温度的四次方成正比。
这意味着随着温度的升高，物体释放的热辐射能量也将大幅增加。
热辐射具有以下几个主要特性：1. 热辐射是一种电磁波，其能量传播不需要介质。
这与传导和对流传热方式有明显的差异。
2. 热辐射的能量传播速度是光速，即299,792,458米/秒，快于传导和对流传热。
3. 热辐射的强度与物体的表面特性有关，如反射率、吸收率和发射率。
4. 所有物体都能辐射热能，不论温度高低。
但是，只有温度高于绝对零度的物体才能辐射可见光。
二、热辐射的吸收与发射热辐射的吸收和发射是密切相关的。
根据基尔霍夫定律，一个物体在吸收热辐射时，其吸收率与其发射率相等。
这意味着对于一个处于热平衡的物体，吸收的辐射功率等于发射的辐射功率。
不同物体对热辐射的吸收率和发射率有所差异，这取决于其材料特性和波长。
黑体是一种理想化的物体，其吸收率和发射率均为1，即吸收和发射辐射功率最大。
一般的物体则具有较低的吸收率和发射率，这意味着它们对热辐射的吸收和发射能力较弱。
随着物体温度的升高，其热辐射的集中波长也会有所变化。
根据斯特藩-玻尔兹曼定律，随着温度的升高，热辐射的主导波长将向短波方向移动。
这也解释了为什么高温下物体散发出的光是蓝色或白炽的，而较低温度下物体的光呈现红色。
三、热辐射与能量平衡热辐射在能量平衡中起着重要作用。
物体吸收热辐射会增加其能量，而物体的发射则会使其能量降低。
一个物体在达到热平衡状态时，吸收和发射的热辐射功率处于平衡状态。
热辐射的能量平衡对于理解地球能量平衡和气候变化至关重要。
《热辐射》 讲义
《热辐射》讲义一、什么是热辐射在我们日常生活中，热的传递方式有很多种，比如热传导、热对流，而热辐射则是一种独特且重要的方式。
热辐射，简单来说，就是由物体自身的温度所引起的，以电磁波的形式向外传递能量的过程。
我们身边的各种物体，无论是太阳这样遥远的恒星，还是身边烧红的铁块、取暖用的电暖器，甚至是我们人体自身，都在时刻不停地向外发射热辐射。
热辐射与其他热传递方式最大的不同在于，它不需要依靠任何介质就能进行。
这意味着在真空中，热辐射照样可以传播能量。
比如，太阳的能量就是通过热辐射穿越遥远的太空，最终到达地球的。
二、热辐射的特点1、无处不在热辐射在自然界和我们的生活中无处不在。
只要有温度高于绝对零度（－27315℃）的物体存在，就会有热辐射产生。
2、与温度的关系物体的温度越高，热辐射的强度就越大，同时辐射的波长也会越短。
比如，低温的物体主要发射长波红外线，而高温物体如烧红的铁块则会发射可见光。
3、电磁波特性热辐射是以电磁波的形式传播的，它涵盖了从红外线、可见光到紫外线等广泛的波长范围。
不同波长的电磁波具有不同的能量和特性。
4、不需要介质如前所述，热辐射不需要任何物质作为媒介，可以在真空中自由传播。
这使得它在宇宙空间等特殊环境中的能量传递起着关键作用。
三、热辐射的规律1、斯特藩玻尔兹曼定律这个定律表明，黑体的辐射出射度与绝对温度的四次方成正比。
也就是说，温度升高一倍，热辐射的能量将增加到原来的 16 倍。
2、维恩位移定律它描述了黑体辐射的峰值波长与温度的关系。
温度越高，峰值波长越短。
这对于研究不同温度下物体的热辐射特性具有重要意义。
四、热辐射的应用1、红外测温仪利用物体的热辐射来测量其温度。
通过检测物体发射的红外线强度，可以快速、非接触地获取物体的表面温度，在工业生产、医疗诊断等领域有广泛应用。
2、太阳能利用太阳以热辐射的形式向地球传递巨大的能量。
太阳能热水器、太阳能电池板等设备就是通过吸收太阳的热辐射来转化为我们所需的热能或电能。
热量传输之3.热辐射
(4a)
cos 1 cos 2dA1dA2 1 1 2,1 d 2,d1dA2 2 A A A2 1 2 r A2 A1 A2
第六章 辐射换热
(4b)
21
1,2
Q1,2 Q1
A1
A2
Qd 1,d 2 Qd 1
A1
A2
Lb1cos1d1dA1
当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生 三种现象，即吸收、反射和穿透，如图所示。
Q Q Q Q
Q Q Q 1 Q Q Q 1
物体对热辐射的吸收、 反射和穿透
第六章 辐射换热 4
对于大多数的固体和液体： 0, 1 对于不含颗粒的气体：
A1
A1
Lb1dA1
A1
A2
Lb1cos1dA2cos2dA1 A1 Lb1r 2
cos1cos2dA2 1 1 dA1 d 1,d 2dA1 A1 A1 A2 r2 A1 A1 A2
(2) 角系数性质 ①相对性 由式(2a)和(2b)可以看出
0, 1
对于黑体：
镜体或白体：
1
1 1
透明体： 反射又分镜面反射和漫反射两种：
镜面反射
第六章 辐射换热
漫反射
5
3.2 黑体辐射的基本定律
(1)黑体概念
黑体：是指能吸收投入到其表面
上的所有热辐射能的物体，是 一种科学假想的物体，现实生
活中是不存在的。但却可以人
形状因子、可视因子、交换系数等等。但叫得最多的是角系数。值得注 意的是，角系数只对漫射面(既漫辐射又漫发射)、表面的发射辐射和投射
热辐射的原理与应用
热辐射的原理与应用1. 热辐射的基本概念•热辐射是指由物体上的热运动引起的电磁波辐射。
•所有物体都会发出热辐射，其强度与物体温度有关。
•热辐射在各个波长范围内都存在，其能量分布遵循普朗克黑体辐射定律。
2. 热辐射的原理•热辐射是由物体内部分子或原子的热运动引起的。
•热辐射是一种电磁波，其频率和能量与物体的温度有关。
•物体发出的热辐射先经过物质的吸收、反射和传导，最后以辐射的形式释放出去。
•热辐射遵循库仑-斯托克斯定律，即辐射功率与温度的四次方成正比。
3. 热辐射的特点•热辐射具有冷热不均匀性，即不同物体以及同一物体的不同部位发射的辐射功率不同。
•热辐射具有吸收、反射和传导的特性，能够在不同介质中传递能量。
•热辐射的强度与物体的温度和表面性质相关，表现为不同的辐射谱线。
•热辐射具有波粒二象性，既可看作是波动，也可看作是由粒子组成的能量子。
4. 热辐射的应用•热辐射被广泛应用于热成像技术中，用于检测物体的表面温度分布。
•热辐射被应用于红外线遥感技术中，可以获取地球表面的温度分布和地物信息。
•热辐射在医学诊断中被用于红外热成像检测，可以发现患者体表的异常病灶。
•热辐射在建筑工程中被用于热障控制和能源节约，可以减少能源的消耗。
•热辐射在太阳能利用中被应用于太阳能光热发电和太阳能热水器等领域。
5. 热辐射的挑战与未来发展•热辐射的检测技术和设备需要不断改进和创新，以满足不同领域的需求。
•热辐射的研究还存在一些问题，如辐射损失、干扰等，需要进一步解决。
•随着新材料和新技术的发展，热辐射的应用领域将会更加广泛。
•热辐射的研究将对能源利用、环境保护和人类生活产生重要影响。
以上是关于热辐射的原理与应用的文档，简要介绍了热辐射的基本概念、原理、特点以及应用领域。
热辐射作为一种电磁波辐射，具有广泛的应用前景，可以在热成像、红外遥感、医学诊断、建筑工程、太阳能利用等方面发挥重要作用。
随着技术的发展和创新，热辐射的研究将会取得更大突破，对社会发展产生积极影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。