辐射换热理论基础

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1、辐射换热理论基础1第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性§6-1热辐射的基本概念1.热辐射定义及特点(1)定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)特点：a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；b可以在真空中传播；c伴随能量形式的转变；d具有强烈的方向性；e辐射能与温度和波长均有关；f发射辐射取决于温度的4次方。2.电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图6-1所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1~100μm。电磁波的传播速度：c=fλ式中：f—频率,λ—波长，μm2电

2、磁辐射波谱图6-13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6.5-2所示。3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透图6.2物体对热辐射的吸收反射和穿透4对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：镜体或白体：透明体：反射又分镜反射和漫反射两种图6-3镜反射图6-4漫反射51.黑体概念黑体：是指能吸收投射到其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。但却可以人工制造出近似的人工黑体。图6-5黑体模型§6-2黑体辐射的基本定律6辐射力E：单位时间内，物体的单位表面

3、积向半球空间发射的所有波长的能量总和。(W/m2)；光谱辐射力Eλ：单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。(W/m3)；2.热辐射能量的表示方法E、Eλ关系:显然，E和Eλ之间具有如下关系：黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为Ebλ73.黑体辐射的三个基本定律及相关性质式中，λ—波长，m；T—黑体温度，K；c1—第一辐射常数，3.742×10-16Wm2；c2—第二辐射常数，1.4388×10-2mK；(1)Planck定律(第一个定律)：图6-

4、6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。λm与T的关系由Wien位移定律给出，图6-6Planck定律的图示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，例如金属：当T<500ºC时，没有可见光，颜色不变；T增大，其颜色分别为暗红、鲜红、桔黄和白色(色温现象)。用于判断被加热物体的温度。例题6-1试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大单色辐射力所对应的波长。解：应用Wien位移定律T=2000K时max=2.897610-3/2000=1.45mT=5800K时max=2.89

5、7610-3/5800=0.50m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9(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：式中，σ=5.66×10-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。(3)黑体辐射函数黑体在波长λ1和λ2区段内所发射的辐射力，如图6-7所示：图6-7特定波长区段内的黑体辐射力10定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)，如图6-8和6-9所示：(4)立体角用黑体辐射函数表示波段区间的辐射能:11图6-8立体角

6、定义图12图6-9计算微元立体角的几何关系13定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图6-10。(5)定向辐射强度L(,)：图6-10定向辐射强度的定义图(6)Lambert定律(黑体辐射的第三个基本定律)它说明黑体的定向辐射随天顶角呈余弦规律变化，见图6-11，因此，Lambert定律也称为余弦定律。14图6-11Lambert定律图示沿半球方向积分上式，可获得了半球辐射强度E:说明：黑体的定向辐射强度为其总辐射能力的1/π倍。15§6-3实际固体和液体的辐射特性1

7、发射率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，定义了发射率(也称为黑度)：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:16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方向和光谱变化的。WavelengthDirection(anglefromthesurfacenormal)17因此，我们需要定义方向光谱发射率，对于某一指定的方向(,)和波长对上面公式在所有波长范围内积分，可得到方向总

8、发射率，即实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：18对应于黑体的辐射力Eb，光谱辐射力Eb和定向辐射强度L，分别引入了三个修正系数，即，发射率，光谱发射率()和定向发射率()，其表达式和物理意义如下实际物体的辐射力与黑体辐射力之比:实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射