第六章 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)
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 emission
VM107Thermocouple radiation
6.5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 radiation
6.6AUX12―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：ESURF
GUI: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,1
GUI: 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：/AUX12
GUI：Main Menu>Radiation
2. 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NSEL
GII:Utility Menu>Select>Entities
3. 确定所分析的模型是3D还是2D
命令：GEOM
GUI:Main Menu>Radiation Matrix>Other Settings
AUX12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：EMIS
GUI:Main Menu>Radiation Matrix>Emmisivities
5. 定义Stefan-Baltzmann常数（缺省情况下，英制单位为0.119×10-10
Btu/hr-in2-R4，国际单位制为5.67×10－8W/m2K4）。
命令：STEF
GUI：Main Menu>Radiation Matrix>Other Settings
6. 确定计算形状系数的方法。
命令：VTYPE
GUI: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：SPACE
GUI:Main menu>Radition>Matrix>Other Settings
8．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：WRITE
GUI: 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：ALLSEL
GUI: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：/PREP7
GUI： Main Menu>Preprocessor
2．设置缺省单元类型为超单元
命令：TYPE
GUI:Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Elem Attributes
3．读入辐射超单元矩阵
命令：SE
GUI: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。
命令：EDELE
GUI:Main Menu>Preproccssor>Modeling>Delete>Elements
5．进入求解器，定义空间节点的热边界条件，空间节点的典型热边界为温度（环境温度），也可能是热流率。边界条件应能够反映被模拟的环境的真实情况。
命令：D,F
GUI:Main Menu>Solution>Loads-Apply…
6．其它步骤与普通热分析相同
6.7使用空间节点的几点建议
尽管模拟热辐射并不总是需要定义空间节点，但使用或不使用空间节点可能会明显影响计算精度，分析中请注意有关空间节点的如下几点：
6.7.1对于非隐藏方法
用非隐藏方法计算形状系数，不对空间节点做特别的考虑，也可以得到系统足够精确的解。通常对于封闭系统不应定义空间节点；而对于开放系统应当定义。只有当开放系统中含有灰体（辐射率小于1）时，才必须定义一个空间节点，以保证计算精度。
6.7.2对于隐藏方法
AUX12中形状系数计算的精度会影响到空间节点的辐射计算，由于计算的误差在空间节点上累积，在封闭或接近封闭系统中空间节点形状系数的相对误差会过大。
使用隐藏方法时，可能会需要增大计算形状系数时的射线数量，并细化网格，以便得到更精确的形状系数。如果上述方法不能实施，可考虑如下建议： 对于封闭系统，即所有的辐射面形成一个封闭空间，不向外界辐射，不要使用空间节点。
如果问题的实质允许只模拟辐射面间辐射（忽略向空间的辐射），那就不要定义空间节点。这种情况仅对黑体（辐射率为1）有效。
对于一个接近封闭的系统，如果必须考虑向空间的辐射，可以在开口处划分网格，并将开口处节点的温度自由度约束为空间温度。这样，空间形状系数的计算更精确。
对于有明显空间损失的开放系统，可以使用空间节点（需要定义节点的热边界条件）来计算辐射损失，这样中等的网格密度及射线数量会得到足够精度的结果。
6.8使用AUX12的几点注意事项
只有所有的辐射面之间可以完全地看到对方时，才能使用非隐藏方法。否则形状系数的计算是错误的，热分析的结果不正确甚至不会收敛。
隐藏方法需要明显更长的计算时间，所以只有辐射面间有障碍存在或无法分组计算时才选用。
对于有些情况可以对辐射面分组，各组之间在辐射传热上是完全独立的。由于在一个组中的辐射面之间没有阻碍，可以用非隐藏方法计算形状系数，分别写入辐射矩阵文件。这样可以节省大量CPU时间。要对辐射面进行分组，在写矩阵之前选择的需要的辐射面组。
对于隐藏方法，增大射线数量会提高形状系数的计算精度。
无论是隐藏的方法还是非隐藏的方法，通常辐射表面的网格越细，越规则，形状系数计算精度越高。但是，对于隐藏法而言，如果要得到相同精度的形状系数，其对网格的要求比非隐藏法更高。如果网格太差，即使将射线的数量增加到其最大值，也无法获得所需的求解精度。
对于轴对称情况，NDIV设为20，可以得到足够精度的形状系数。单元在拓展到3D时应有合理的形状（长细比应在合理的范围内）。
用于生成2D辐射矩阵的LINK32单元，并不直接支持轴对称选项。因此，对于轴对称模型，确认在运行热分析以前删除或不选择此单元。
理论上讲，对于封闭系统，由任意一个辐射表面到所有其它辐射面的形状系数的和为1；对于开放系统则应小于1。可以通过执行MPRINT,1命令将形状系数如下打印出来“***FORM FACTORS *** TOTAL = Value”，由此可检查每一个辐射面形状系数的计算是否正确。如果超过1则肯定错误。尤其在两辐射面间有障碍时，不留意地使用了非隐藏方法计算，就会出现这种情况。
6.9Radiosity求解器方法
只有ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/Thermal等产品提供Radiosity求解器。该方法可以求解多个面间的常规热辐射问题，适用于所有含温度自由度的二维和三维单元。
定义辐射面；
定义求解选项；
定义形状系数（View Factor）选项；
计算并查询形状系数。
定义载荷选项
6.9.1定义辐射面
在PREP7中创建三维几何模型并划分实体网格。需要注意的是这种方法不支持对称条件，因此所有参与热辐射的表面必须全部建模。辐射表面为3D模型中的面或2D模型中的边。该方法允许有多达10个独立的辐射对，辐射对含有相互间有辐射换热的面。
用SF、SFA、SFE或SFL命令定义每一个辐射面的辐射率及辐射对编号。对于所有相互之间有热辐射作用的辐射面，使用同一个辐射对编号。如果辐射率与温度有关，可在上述命令中定义VALUE＝－N，此时，对于材料N，其辐射率的值由EMIS性质表确定。
验证是否为已定义的表面指定了正确的辐射率、辐射对编号及辐射方向。
命令：/PSF
GUI：Utility Menu>PlotCtrls>Symbols
在SHELL57或SHELL157号单元上施加辐射载荷时，必须为其内外表面的方向指定合适的编号。可使用SF，SFA，SFE命令来施加这些载荷。SF和SFA命令仅将辐射表面载荷施加在壳单元的1号面上，如果要在2号面或两个面上都施加
辐射表面载荷，请适用SFE命令。有关这两种单元的表面方向和编号请参见《ANSYS Element Reference》。
6.9.2设定分析选项
对于辐射分析，必须要设定相应单位制下的Stefan-Boltzmann常数：
命令：STEF
GUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>Solution Option
Main Menu>Radiation>Solution Option
Main Menu>Solution>Solution Option
如果当前使用的温度制为摄氏或华氏，应定义一个温度偏移量将其转化到绝对温度：
命令：TOFFST
GUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>Solution Option
Main Menu>Radiation>Solution Option
Main Menu>Solution>Solution Option
设定求解器，选择直接求解器或迭代求解器（默认）。同时也可以设定热流密度的松弛系数和收敛精度：
命令：RADOPT
GUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>Solution Option
Main Menu>Radiation>Solution Option
Main Menu>Solution>Solution Option
如果分析的是一个开放系统，必须定义环境温度（空间温度）或为每个辐射对定义环境节点，设定环境辐射空间温度的方式如下：
命令：SPCTEMP
GUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>Solution Option
Main Menu>Radiation>Solution Option
Main Menu>Solution>Solution Option
SPCTEMP命令定义每个辐射对的空间温度，同时，也可用该命令显示或删除所有已定义的空间温度。为每个辐射对设定空间节点的方式如下： 命令：SPCNOD
GUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>Solution Option
Main Menu>Radiation>Solution Option
Main Menu>Solution>Solution Option
如果前面提到的“环境”是分析模型中的另外一个实体，则必须对每个辐射对用SPCNOD命令为环境辐射定义空间节点。Radiosity求解器将在空间节点上指定的温度作为环境温度。可用该命令显示或删除所有已定义的空间节点。
6.9.3定义形状系数选项
对于三维或二维模型，要计算新的形状系数，可用如下方式定义各种选项：命令：HEMIOPT
GUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>View Factor Option
Main Menu>Radiation>View Factor Option
Main Menu>Solution>View Factor Option
该命令设置采用半立方（Hemicube）法计算形状系数时的“分辨率”，默认值为10，此值越高，形状系数的计算精度越高。
选择计算2D模型的形状系数的选项：可将2D模型定义为2D平面或轴对称（缺省为平面）、可设定轴对称模型的划分区间数（默认为20）、可选择隐藏和非隐藏选项（缺省为隐藏）、可设定形状系数计算的区域数（缺省为200）。
命令：V2DOPT
GUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>View Factor Option
Main Menu>Raduiation>View Factor Option
Main Menu>Solution>View Factor Option
设定是否需要重新计算形状
命令：VFOPT
GUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>View Factor Option
Main Menu>Radiation>View Factor Option
Main Menu>Solution>View Factor Option
VFOPT，opt设置为NEW时，则程序重新计算形状系数并将其保存在一个文件中。如果数据库中已经有了形状系数，则该命令可以关闭对形状系数的计算（opt=OFF）。在第二次（或多次）执行SOLVE命令时，OFF是默认值，即不重新计算形状系数而直接读取第一次求解的形状系数。如果第一次求解后形状系数发生较大改变，需要重新计算形状系数（如大变形），则应在第二次（或多次）求解前，将此值设定为NEW，重新计算形状系数。
6.9.4计算并验证形状系数选项
然后可以计算形状系数，并验证和得到平均值。
计算并存储形状系数：
命令：VFCALC
GUI：Main Menu>Radiation>Compute
可用如下命令列出所选择单元对的形状系数并计算平均系数：
命令：VFQUERY
GUI:Main Menu>Radiation>Query
用如下命令可将平均系数提取出来：
*GET,Par,RAD,VFAVG
6.9.5设定载荷选项
如果模型有均匀的温度，本步将设定初始温度。还需要定义载荷步并将边界条件的变化形式设定为渐变。
对所有节点设定初始的均匀温度
命令：TUNIF
GUI:Main Menu>Solution>Settings>Uniform Temp
设定载荷步数量或时间步
命令： SUBST或DELTIM
GUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load Step
Opts-Time/Frequenc>Freq and Substps or Time and Substps Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load Step
Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step
由于热辐射是高度非线性的，应设定渐变的边界条件
命令： KBC
GUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load Step
Opts-Time/Frequency>Time-Time Step
6.10静态热辐射分析的几点建议
对于只有热流密度(HFLUX)或热流率（HEAT）边界条件的热辐射问题，或热辐射作为热传递主导方式的问题（即低导热系数），应采用“伪瞬态”求解方法来求解静态问题。主要有如下三个步骤：
1．在定义材料属性时，定义材料的密度和比热为常值。设定这两个材料值的大小并不重要，因为最终是求解稳态问题；
2．将求解类型设定为瞬态问题
命令：ANTYPT
GUI:Main Menu>Solution>New Analysis
3．将准静态辐射分析求解为稳态问题
命令：QSOPT
GUI:Main Menu>Preprocessor>-Load Step
Options->Time/Frequency>Quasi-Static
只有当SOLCONTROL,ON时，QSOPT命令才有效。可用OPNCONTROL 命令设定稳态温度的误差。
与物体材料属性（密度、比热、导热系数等）相关，在瞬态变化刚开始时，物体温度的变化量可能很小。开始时将QSOPT设置为ON，将结束时间设为默认值（TIME=1），可得到非静态的结果，按以下方法可得到纯静态结果值: 用命令OPNCONTROL减小静态温度误差范围，这样可能会使计算时间延长；
增大最终时间值和时间步长值以便在后面获得大的温度改变。
6.11热辐射分析实例1
6.11.1 问题描述
在第五章实例1中考虑热辐射，冷却栅表面黑度为0.9，求解温度分布及与空气间的热流率。
使用隐藏方法
首先按第五章例1的命令流或菜单，求解未考虑热辐射时的温度分布。注意到表面单元可以转换为LINK32，使用隐藏方法生成一个辐射矩阵。然后再回到原来的分析，将此辐射矩阵作为超单元加入，求解温度分布。
6.11.2 菜单操作过程（接第五章实例1）
6.11.2.1将单元类型2更换为LINK32
选择“Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete”，点击Add，单元编号中输入2，选择LINK32，点击OK。
6.11.2.2创建空间节点，用于计算辐射到空气中的热流率
选择“Main Menu>Preprocessor>Create>Node>On Active CS”，节点编号为NN+2, X坐标为6.5*fspc/2, Y坐标为hgt+0.2。
6.11.2.3选择所有单元为2的单元及节点
1、选择“Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attributes>Element Type, 2, From Full”，点击Apply。
2、选择“Utility Menu>Select>Entities>Nodes>Attached to>Elements, From Full”，点击OK。
6.11.2.4将所选单元的第三节点修改为NN＋2
选择“Main Menu>Preprocessor>Move/Modify>Modify Nodes”，点击Pick all，在Starting Location N 中输入3，New node number at location n中输入NN+2。
6.11.2.5定义辐射相关选项
1、定义黑度：选择“Main Menu>Radiation Matrix>Emissivities”，将材料2,3,4,5的黑度都设定为0.9，点击OK。
2、设定定义斯蒂芬—波尔兹曼常数、2D/3D、空间节点：选择“Main Menu>Radiation Matrix>Other Setting”，输入斯蒂芬—波尔兹曼常数为
0.119e-10（英制），选择2D，空间节点为NN+2。
3、选择隐藏方式并生产辐射矩阵文件：选择“Main Menu>Radiation Matrix>Write Matrix”，选择Hidden, 输入文件名bays，点击OK。
6.11.2.6再次进入前处理，恢复单元类型2为SURF151
选择“Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete”，注意修改单元选项如第五章例1。
6.11.2.7选择所有节点，并将SURF19单元的第三节点恢复为NN+1
1、选择“Utility Menu>Select>Entities>Nodes>Select all”，
2、选择“Main Menu>Preprocessor>Move/Modify>Modify Nodes”，点击Pick all, 在Starting Location N 中输入3, 在New node number at location n 中输入NN+1。
3、选择“Utility Menu:>Select>Select Everything”。
6.11.2.8定义热分析的超单元
1、选择“Main Menu:>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete”，选择SuperElement 50，在单元属性中设置element behavior 为Ration Substr。
2、选择“Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Elements Attribute” 设置单元类型为3，材料为1。
3、选择“Main Menu>Preprocessor>Create>Element>From .sub file”，输入bays。
6.11.2.9求解
1、设定英制华氏度与英制绝对温度差值：选择“Main
Menu>Preprocessor>Element Type>
Add/Edit/Delete”，输入460。
2、约束空间节点NN+2的温度：选择“Main
Menu>Solution>Apply>Temperature>On node”，输入90。
3、求解：选择“Main Menu>Solution>solve current CS”。
6.11.2.10后处理
1、打印冷却栅与空气的热流率：选择“Main Menu>General Postproc>List Resust>Reaction Solu”。
2、显示冷却栅温度分布：选择“Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By Num/Pick, Unselect”，点击OK，输入NN+1，NN+2，输入OK。
3、选择“Main Menu>General Postproc>Plot Resust>Nodal
Solution>Temperature”。
6.11.3 等效的命令流方法
/prep7!重新进入前处理
et,2,link32!将单元2定义为LINK32
n,nn+2,6.5*fspc/2,hgt+.2!创建计算辐射到空气中热量的空间节点 esel,s,type,,2!选择所有单元类型为2的单元
nsle,s!选择单元上节点
emod,all,3,nn+2!修改单元，将空间节点作为第三节点
eplot
finish
/aux12!进入辐射矩阵生成器
emis,2,.9!定义黑度
emis,3,.9
emis,4,.9
emis,5,.9
stef,0.119e-10!定义斯蒂芬—波尔兹曼常数
geom,1!两维
vtype,0!隐藏方法
space,nn+2!空间节点为NN+2
write,bays!将辐射矩阵写入bays.sub文件
finish!退出辐射矩阵生成器
/prep7!再次进入前处理
et,2,surf19,1,,,1,1!将单元类型2重新定义为SURF19
keyopt,2,8,2
nsel,all
emod,all,3,nn+1!修改单元，将孤立节点NN+1作为第三节点
allsel
et,3,matrix50,1!定义单元类型3为超单元
type,3
mat,1
real,1
se,bays!读入bay3.sub中的辐射矩阵
finish
/solu
toffst,460!设置英制绝对零度
d,nn+2,temp,90!定义空间节点NN+2的温度
solve!求解
finish
! 后处理
/post1
prrsol!求解冷却栅与空气的热流率
nsel,u,node,,nn+1,nn+2
plns,temp!显示温度分布
finish
使用非隐藏方法
6.11.4 等效的命令流方法
/prep7
et,2,link32
n,nn+2,6.5*fspc/2,hgt+.2
esel,s,type,,2
nsle,s
emod,all,3,nn+2
eplot
finish！以上与隐藏方法相同
/aux12
x=0
lsel,s,line,,5+x,6+x！生成第一个辐射矩阵文件bay1.sub lsel,a,line,,10+x,20+x,10
lsel,a,line,,15+x,16+x,1
nsll,s,1
esln,s,1
/dist,1,1.21
/focus,1,1.1,0.6
eplot
emis,2,.9
emis,3,.9
emis,4,.9
emis,5,.9
stef,0.119e-10
geom,1
vtype,1! 非隐藏方法
space,nn+2
write,bay1
allsel
x=19! 生成第二个辐射矩阵bay2.sub lsel,s,line,,5+x,6+x
lsel,a,line,,10+x,19+x,9
lsel,a,line,,15+x,16+x,1
nsll,s,1
esln,s,1
eplot
emis,2,.9
emis,3,.9
emis,4,.9
emis,5,.9
stef,0.119e-10
geom,1
vtype,1
space,nn+2
write,bay2
allsel
x=38! 生成第三个辐射矩阵bay3.sub lsel,s,line,,5+x,6+x
lsel,a,line,,10+x,19+x,9
lsel,a,line,,15+x,16+x,1
nsll,s,1
esln,s,1
eplot
emis,2,.9
emis,3,.9
emis,4,.9
emis,5,.9
stef,0.119e-10
geom,1
vtype,1
space,nn+2
write,bay3
allsel
x=57！生成第四个辐射矩阵文件bay4.sub lsel,s,line,,5+x,6+x
lsel,a,line,,10+x,19+x,9
lsel,a,line,,15+x,16+x,1
nsll,s,1
esln,s,1
eplot
emis,2,.9
emis,3,.9
emis,4,.9
emis,5,.9
stef,0.19e-10
geom,1
vtype,1
space,nn+2
write,bay4
allsel
x=76 !生成第五个辐射矩阵文件bay5.sub lsel,s,line,,5+x,6+x
lsel,a,line,,10+x,19+x,9
lsel,a,line,,15+x,16+x,1
nsll,s,1
esln,s,1
eplot
emis,2,.9
emis,3,.9
emis,4,.9
emis,5,.9
stef,0.119e-10
geom,1
vtype,1
space,nn+2
write,bay5
lsel,s,line,,61,64,3 ! 生成第六个辐射矩阵文件bay6.sub lsel,a,line,,97
nsll,s,1
esln,s,1
eplot
/dist,1,auto
/focus,1,auto
emis,2,.9
emis,3,.9
emis,4,.9
emis,5,.9
stef,0.119e-10
geom,1
vtype,1
space,nn+2
write,bay6
allsel
/prep7！再次进入前处理
esel,s,type,,2！作与隐藏方法类似的修改
et,2,surf19,1,,,1,1
keyopt,2,8,2
nsel,all
emod,all,3,nn+1
allsel
et,3,matrix50,1
type,3
mat,1
real,1
se,bay1！依次读入矩阵文件
se,bay2
se,bay3
se,bay4
se,bay5
se,bay6
/solu
toffst,460
d,nn+2,temp,90
solve！求解
finish
/post1
prrsol！得到冷却栅与空气的热流率
nsel,u,node,,nn+1,nn+2
plns,temp！得到温度分布
finish
6.12热辐射分析实例2
6.12.1 问题描述
如图所示，考虑两个圆环之间的相互辐射。内环的外表面的辐射率为0.9，内环的内表面保持温度为1500F。外环面的内表面的辐射率为0.7,其外表面温度为100F。外界空间温度为70F。
图6-4 辐射圆环
6.12.2 等效的命令流方法
/TITLE,RADIATION BETWEEN CIRCULAR ANNULUS
! Example for 2D radiation analysis using the radiosity method /PREP7
CYL4,0,0,.5,0,.25,180!定义内环参数
CYL4,0.2,0,1,0,.75,180! 定义外环参数
ET,1,PLANE55! 定义2D 热分析单元
LSEL,S,LINE,,1
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
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
热辐射成像实验
实验3 热辐射成像实验 热辐射是19世纪发展起来的新学科，至19世纪末该领域的研究达到顶峰，以致于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。黑体辐射实验是量子论得以建立的关键性实验之一，也是高校实验教学中一重要实验。物体由于具有温度而向外辐射电磁波的现象成为热辐射，热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0到∞，而一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线。物体在向外辐射的同时，还将吸收从其他物体辐射的能量，且物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。 【实验目的】 1、研究物体的辐射面、辐射体温度对物体辐射能力大小的影响，并分析原因。 2、测量改变测试点与辐射体距离时，物体辐射强度P 和距离S 以及距离的平方S 2的关系，并描绘P-S 2曲线。 3、依据维恩位移定律，测绘物体辐射能量与波长的关系图。 4、测量不同物体的防辐射能力，你能够从中得到哪些启发？（选做） 5、了解红外成像原理，根据热辐射原理测量发热物体的形貌（红外成像）。 【实验原理】 热辐射的真正研究是从基尔霍夫（G.R.Kirchhoff ）开始的。1859年他从理论上导入了辐射本领、吸收本领和黑体概念，他利用热力学第二定律证明了一切物体的热辐射本领r (ν,T )与吸收本领α(ν,T )成正比，比值仅与频率ν和温度T 有关，其数学表达式为： ),() ,(),(T F T T r νναν= （3-1） 式中F (ν,T )是一个与物质无关的普适函数。在1861年他进一步指出，在一定温度下用不透光的壁包围起来的空腔中的热辐射等同于黑体的热辐射。1879年，斯特藩（J.Stefan ）从实验中总结出了黑体辐射的辐射本领R 与物体绝对温度T 四次方成正比的结论；1884年，玻耳兹曼对上述结论给出了严格的理论证明，其数学表达式为： 4T R T σ= （3-2） 即斯特藩-玻耳兹曼定律，其中4212/10673.5K cm w -?=σ为玻耳兹曼常数。 1888年，韦伯（H.F.Weber ）提出了波长与绝对温度之积是一定的。1893年维恩（wilhelmwien ）从理论上进行了证明，其数学表达式为：
黑体辐射实验
实验十 黑体辐射实验 实验者：头铁的小甘 引言： 任何物体，只要温度大于绝对零度，就会向周围发生辐射，这称为温度辐射。 黑体是指能够完全吸收所有外来辐射的物体，处于热平衡时，黑体吸收的能量等 于辐射的能量，由于黑体具有最大的吸收本领，因而黑体也就具有最大的辐射本 领。这种辐射是一种温度辐射，辐射的光谱分布只与辐射体的温度有关，而与辐 射方向及周围环境无关。 6000o K 5000o K 4000o K 3000o K 图 1 黑体辐射能量分布曲线 黑体辐射 p lanck 公式 十九世纪末，很多著名的科学家包括诺贝尔奖获得者，对黑体辐射进行了 大量实验研究和理论分析，实验测出黑体的辐射能量在不同温度下与辐射波长的 关系曲线如图 1 所示，对于此分布曲线的理论分析，历上曾引起了一场巨大的风 波，从而导致物理世界图像的根本变革。维恩试图用热力学的理论并加上一些特 定的假设得出一个分布公式－维恩公式。这个分布公式在短波部分与实验结果符 合较好，而长波部分偏离较大。瑞利和金斯利用经典电动力学和统计物理学也得 出了一个分布公式，他们得出的公式在长波部分与实验结果符合较好，而在短波 部分则完全不符。如图 2。因此经典理论遭到了严重失败，物理学历史上出现了 一个变革的转折点。 实验原理： Planck 提出：电磁辐射的能量只能是量子化的。他认为以频率ν做谐振动 的振子其能量只能取某些分立值，在这些分立值决定的状态中，对应的能量应该 是某一最小能量的 h ν整数倍，即 E=nh ν,n=1,2,3,…，h 即是普朗克常数。在 此能量量子化的假定下，他推导出了著名的普朗克公式 )() 1(35 1 2--= Wm e C E T C T λλλ
热辐射
崇明县新光中学课堂教案设计表课题 热在固体中和真空中的传递 授课 时间 课时 教学目标知识目标：通过热在金属中的传递实验，知道热在固体以传导的方式传递。 能力目标：初步学会运用理论推测的方法揭示固体的热传递方式 情感目标：通过辐射传递热的实验，知道热在空气中除通过对流方式外还可以通过辐射等方式传递。 重点难点教学重点：1．热在固体中以传导的方式传递。 2．辐射传热不需要介质。 教学难点：1．通过粒子理论解释传导现象。 2．辐射传热的现象以及辐射与传导、对流传热的根本差异 学情 教情 分析 教学 准备 铜棒、隔热板、氯化钴试纸、酒精灯\温度计2支，100瓦灯泡、灯座、接线板。 教学过程设计 教学 过程 教师活动学生活动设计意图 导入新课在屏幕上投出物质的三态粒 子构成模式图以及相关表 格。 让学生明确热在固体中不 可能通过对流传递。 ◆回顾物质的三态特性， 并复习热在气体和液体 中的传递方式——对 流。 明确热在固体中不可能通过 对流传递。 教学 过程 教师活动学生活动设计意图 教授新课实验1 ◆提问：为什么要将氯化 钴试纸能湿？ ◆提问：为什么在铜棒靠 近酒精灯一侧加隔热 板。 ◆提问：为什么A氯化钴 试纸最先变绿？最先A 变绿然后B变绿最后C 变绿的实验结果可以得 出什么结论？ ◆注视教师的实验操作过 程并思考教师提出的问 题。 通过实验现象知道热在固体 中从高温的一端传递到低温 的一端的方式称为传导 说明：隔热板可使用 泡沫塑料制作但在靠 近火焰一侧需加硬纸 板。
教授新课2.屏幕上投出实验装置或使 用教材中的图片作参考。 要求思考为什么两支温度计 的安装位置不同？ ◆预测实验结果。 ◆为什么要记录两支温度 计的起始温度 ◆实验结果的分析。 ①要对实验结果进行 比较分析。 ②两支温度计升温幅度不 同的原因是由于热在空气中 可以通过对流和辐射等方式 传递。 ◆观看图片并安装实验 装置。 ◆思考：为什么两支温 度计的安装位置不 同？ ◆预测实验结果，并填 写工作纸。 ◆记录两支温度计的起 始温度。 ◆记录5分钟后两支温 度计温度。 组内分析实验结果。 列举辐射传递热的 例子 小结 热在固体中从高温的一端传递到低温的一端的方式称为传导 热在空气中可以通过对流和辐射等方式传递。 作业 反思 与重 建
基础科学黑体红外热辐射实验
黑体红外热辐射实验 热辐射是19世纪发展起来的新学科，至19世纪末该领域的研究达到顶峰，以致于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。黑体辐射实验是量子论得以建立的关键性实验之一，也是高校实验教学中一重要实验。物体由于具有温度而向外辐射电磁波的现象成为热辐射，热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0到∞，而一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线。物体在向外辐射的同时，还将吸收从其他物体辐射的能量，且物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。 1. 1862年，基尔霍夫根据实验提出了理想黑体的概念 2. 1896年，维恩把热力学考察和多普勒原理结合起来，应用到空腔辐射的压缩。他指出，在一定温度下的辐射密度可以通过反射壁包围辐射区域的绝热收缩或绝热膨胀，转变到另一温度的辐射，从而得出了黑体辐射的能量按波长（或频率）分布的公式，又称维恩公式。这个公式的短波部分同实验数据很好符合，并足以解释为什么光谱的极大强度在黑体的温度升高时愈来愈向短波方向移动。 3. 1900年，瑞利应用经典统计力学和电磁理论来计算一个封闭腔的热辐射。他指出，随着封闭腔被加热，那么腔中将建立一个电磁场，这个电磁场可分解成为一个具有不同频率和不同方向的驻波系统，每一个这样的驻波就是电磁场的一个基本状态。于是在一定频率间隔内的场能的计算变为去导出基元驻波的个数，由此得到一个新的热辐射公式。可是瑞利在推导中错了一个因数8，这个错误为英国当时只有27岁的金斯所发现。他于1905年给《自然》杂志的一封信中加以修正，即把原来的瑞利公式用8去除，得到了现在称之为瑞利-金斯公式。这是企图用古典理论来处理黑体辐射的又一重要尝试。这个公式表明，辐射能量密度的频率分布正比于频率的平方。于是在长波部分与实验数据基本相符，但在短波部分却完全不相符合，因此此时按公式计算而得到的辐射能量将变成无穷大，显然这是不可能的。古典理论与实验事实产生了很大的矛盾，这种情况曾被荷兰物理学家埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。事实上，维恩公式与瑞利—金斯公式，各从一个侧面反映出物体辐射中的部分规律，但在解释全部热辐射现象却产生了矛盾和“灾难”，这就充分暴露了经典物理学本身的缺陷。 4. 1900年，普朗克指出，为了得到和实验符合的黑体辐射公式（普朗克公式），必须抛弃经典物理学中关于物体可以连续辐射或吸收能量的概念，而代之以新的概念。他认为可以将构成黑体腔壁的物质看作带电的线性谐振子，它们和腔内的电磁场交换能量（辐射或吸收能量）。而这些微观谐振子只能处于某些特定的状态，在这些状态中它们的能量是最小能量ε0的整数倍。它辐射或吸收能量时只能由一个可能状态跃迁到另一可能状态，即能量只可一份一份地改变，而不能连续地变化。这最小能量ε0称为能量子，它与振子的振动频率v成正比，比例系数就是h （普朗克常数），ε0=hv根据这些假设可以成功地导出普朗克黑体辐射公式。 普朗克的能量子假说，突破了经典物理学的旧框架，首次提出了微观系统的量子特性，从而打开了认识微观世界的大门，是现代物理学史上又一次革命性的发现。【实验目的】 1.了解黑体辐射的历史并明白它在近代物理学发展中的重要地位。 2.研究物体的辐射面、辐射体温度对物体辐射能力大小的影响。 3.研究物体辐射能量和距离之间的关系。 【实验器材】
热辐射实验
1.实验题目：热辐射与红外扫描成像系列实验 2.实验目的 1） 学习热辐射的背景知识及相关定律，理解科学家们创造性的思维方法和相关实验技术。 2） 学习用虚拟仪器研究热辐射基本定律，测量Planck 常数。 3） 了解红外扫描成像的基本原理，掌握扫描成像的实验方法和技术。 4） 培养学生运用热辐射的基本原理和相关技术进行基础研究和应用设计的能力。 3.实验内容 1） 验证热辐射基本定律，用黑体辐射公式测量Planck 常数 2） 研究和测定物体不同表面状态的辐射发射量 3） 研究辐射发射量与距离的关系 4） 红外扫描成像实验研究 5） 红外无损探伤实验研究 6） 红外温度计的设计与材料热性质的研究 7） 运用热辐射基本定律和本实验装置进行自主应用设计性实验 4.实验原理 1. 了解热辐射的基本概念和定律 当物体的温度高于绝对零度时，均有红外光向周围空间辐射出来，红外辐射的物理本质是热辐射。其微观机理是物体内部带电粒子不停的运动导致热辐射效应。热辐射的波长和频率在0.76?100μ之间，与电磁波一样具有反射、透射和吸收等性质。设辐射到物体上的能量为Q ，被物体吸收的能量为Q α，透过物体的能量为Q τ，被反射的能量为Q ρ。 由能量守恒定律可得： Q=Q α+Q τ+Q ρ归一化后可得： +1Q Q Q Q Q Q βαταβτ+=++= （1） 式中α为吸收率，τ为透射率，ρ为反射率。 1.1 基尔霍夫定律 基尔霍夫指出：物体的辐射发射量M 和吸收率α的比值M/α与物体的性质无关，都等同于在同一温度下的绝对黑体的辐射发射量M B ，这就是著名的基尔霍夫定律。
1 212()B M M M f t αα====L （2） 基尔霍夫定律不仅对所有波长的全辐射（或称总辐射）而言是正确的，而且对任意单色波长λ也是正确的。 1.2 绝对黑体 能完全吸收入射辐射，并具有最大辐射率的物体叫做绝对黑体。实验室中人工制作绝对黑体的条件是：1）腔壁近似等温，2）开孔面积<<腔体。 本实验中我们利用红外传感器测量辐射方盒表面的总辐射发射量M 。M 是所有波长的电磁波的光谱辐射发射量的总和，数学表达式为： M M d λλ∞ =∫ （3） 上式被称为斯蒂芬-玻尔兹曼定律。不同的物体，处于不同的温度，辐射发射量都不同，但有一定的规律。 比辐射率ε的定义：物体的辐射发射量与黑体的辐射发射量之比，即 00d =d B B T B M M M M λλλελελ ∞∞??==????∫∫物体辐射发射量黑体辐射发射量 （4） 由基尔霍夫定律可知，辐射发射量M与吸收率α的关系：B M M α= 由能量守恒定律和基尔霍夫定律，即公式（1）和（2）联立求解 1B M M αβτα++=??=? 可得: ()1B M M τρ=?? （5） 由上述知识可知，若我们测出物体的辐射发射量和黑体的辐射发射量，便可求出物体的吸收率，还可以获得物体反射率和透射率的有关信息。 2. 空气中热辐射的传播规律研究 我们知道，许多物理量都与距离 r 的反平方成正比。现代物理学认为，这很大程度上是由空间的几何结构决定的。以天体辐射为例，如果距离 r 的指数比 2 大或者比 2 小，就会影响太阳的辐射场，使地球温度过低或者过高，从而不适合碳基生命形式的存在。那么热源的辐射量与距离的关系是否也遵循这一规律呢？对于球形均值热源和各种不同形状和不同材料构成的热源的辐射量在空气中的衰减规律及其分布是否都遵循反平方定律呢？ 我们首先引进几个概念。辐射功率 P ：单位时间内传递的辐射能 W ，即
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：
热辐射的研究
热辐射的研究 热辐射是19世纪发展起来的一门新学科，它的研究得到了热力学和光 谱学的支持，同时用到了电磁学和光学的新兴技术，因此发展很快。到19世纪末，这个领域已经达到这样的高峰，以致于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。 热辐射实际上就是红外辐射。1800年，赫谢尔（W.Herschel）在观察太阳光谱的热效应时首先发现了红外辐射，并且证明红外辐射也遵守折射定律和反射定律，只是比可见光更易于被空气和其他介质吸收。1821年，塞贝克（T.J. Seebeck）发现温差电现象并用之于测量温度。1830年，诺比利（L. Nobili）发明了热辐射测量仪。他用温差电堆接收包括红外辐射在内的热辐射能量，再用不同材料置于其间，比较它们的折射和吸收作用。他发现岩盐对热辐射几乎是完全透明的，后来就用岩盐一类的材料做成了各种适用于热辐射的“光学”器件。 与此同时，别的国家也有人对热辐射进行研究。例如：德国的夫琅和费在观测太阳光谱的同时也对光谱的能量分布作了定性观测；英国的丁铎尔（J. Tyndall）、美国的克罗瓦（A.P.P. Crova）等人都测量了热辐射的能量分布曲线。 其实，热辐射的能量分布问题很早就在人们的生活和生产中有所触及。例如：炉温的高低可以根据炉火的颜色判断；明亮得发青的灼热物体比暗红的温度高；在冶炼金属中，人们往往根据观察凭经验判断火候。因此，很早就对热辐射的能量分布问题发生了兴趣。 美国人兰利（https://www.360docs.net/doc/3213942833.html,ngley）对热辐射做过很多工作。1881年，他发明了热辐射计，可以很灵敏地测量辐射能量。图19.13就是兰利的热辐射计。他用四个铂电阻丝组成电桥，从检流计测出电阻的温度变化。为了测量热辐射的能量分布，他设计了很精巧的实验装置，用岩盐作成棱镜和透镜，仿照分光计的原理，把不同波长的热辐射投射到热辐射计中，测出能量随波长变化的曲线，从曲线可以明显地看到最大能量值随温度增高向短波方向转移的趋势（图19.14）。1886年，他用罗兰凹面光栅作色散元件，测到了相当精确的热辐射能量分布曲线。 兰利的工作大大激励了同时代的物理学家从事热辐射的研究。随后，普林舍姆（E. Pringsheim）改进了热辐射计；波伊斯（C. V. Boys）创制了微量辐射计；帕邢（F. Paschen）又将微量辐射计的灵敏度提高了多倍。这些设备为热辐射的实验研究提供了极为有力的武器。 与此同时，理论物理学家也对热辐射展开了广泛研究。1859年，基尔霍夫证明热辐射的发射本领和吸收本领的比值与辐射物体的性质无关，并提出了黑体
第8章 热辐射基本定律和辐射特性
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。
热辐射实验报告
热辐射实验报告 组员：丁博G012012297 郝景龙G012012311郭有信G012012115 何思文G012012297付光顺G012012297 一、 实验原理 理论研究表明处于热平衡时，物体的辐射强度由下式确定：4I=T εσ 上式中的σ=5.6703*-81024W m K 是斯特藩-玻尔兹曼常数；T 是物体 的绝对温度，ε 是物体表面的吸收率，一般ε≤1，对于理想辐射体，ε=1。 最大光强度对应的波长由下式确定： max c 0.002898m K ==T T λ? T 是物体的绝对温度。 二、 仪器安装：实验平台线路已连接 三、 实验内容 1、 当立方体处于热平衡时，旋转立方体将其有洞的一面正对红外光传感器，并使两者间距2cm 。 2、 用导轨上的夹子确定转动传感器的起始位置，将红外传感器放置在立方体左侧开始扫描。 3、 按红外传感器上的清零键“TARE ”，点击数据处理软件的“START ”。移动转动传感器使红外光传感器完整扫描立方体。点击“STOP ”。 4、 记录腔体温度。
5、将黑色一面正对红外传感器，重复扫描。按红外传感 器的清零键“TARE”，从同一位置开始扫描。 6、将光滑面正对红外传感器，再次扫描。将白色面正对 红外传感器，再次扫描。 四、注意事项： 1在加热立方腔过程中，注意红外传感器不要正对立方体。 2在移动转动传感器时注意移动速度不要太慢，防止红外传感器过热损坏。 3试验线路不要乱接，防止损坏仪器。 五、实验结果
六、实验反思： 1在实验过程中，不要乱改线路。由于我们组实验时盲目按照
课本接线，致使实验无法进行。 2熟练应用软件是实验成功的另一必然要求。当打开软件时，感觉对其都不了解，定义各个接口就花费了我们很长时间。3熟练掌握实验内容，首先应熟识各个实验仪器，如转动传感器、红外光传感器、温度传感器。
黑体热辐射实验
黑体辐射实验（41070101） 实验背景： 早在1859年，德国物理学家基尔霍夫在总结当时实验发现的基础上，用理论方法得出一切物体热辐射所遵从的普遍规律：在相同的温度下，各辐射源的单色辐出度Mi（λ，T）与单色吸收率αi（λ，T）成正比，其比值对所有辐射源（i=1，2，┄）都一样，是一个只取决于波长λ和温度T的普适函数。而黑色物体对可见光能强烈吸收，则当获取能量时也应有在可见光区的强烈辐射，因而从黑体辐射的角度研究确定普适函数的具体形式就具有极大的吸引力。显然，如果单色吸收率αi （λ，T）=1，则该辐射源的单色辐出度Mi（λ，T）就是要研究的普适函数。而 αi（λ，T）=1的辐射体就是绝对黑体，简称黑体。黑体的辐射亮度在各个方向都相同，即黑体是一个完全的余弦辐射体，辐射能力小于黑体，但辐射的光谱分布与黑体相同的温度辐射体称为灰体。 任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向周围发射辐射，这称为温度辐射; 只要其温度在绝对零度以上，也要从外界吸收辐射的能量。处在不同温度和环境下的物体，都以电磁辐射形式发出能量，而黑体是一种完全的温度辐射体，即任何非黑体所发射的辐射通量都小于同温度下的黑体发射的辐射通量；并且，非黑体的辐射能力不仅与温度有关，而且与表面的材料的性质有关，而黑体的辐射能力则仅与温度有关。在黑体辐射中，存在各种波长的电磁波，其能量按波长的分布与黑体的温度有关。 实验目的：1、了解黑体辐射实验现象，掌握辐射研究方法； 2、学会仪器调整与参数选择，提高物理数量关系与建模能力； 3、通过验证定律，充实物理假说与思想实验能力。 实验仪器： WGH-10型黑体实验装置专门用于进行黑体辐射能量的测量和任意发射光源的辐射能量的测量。可以记录出发光源的辐射能量曲线。在实验时，通过改变光源的温度，分别进行扫描，可以从记录的光谱辐射曲线直接看到维恩位移定律的现象，并能够对普朗克定律、斯忒藩-波尔兹曼定律进行较精确的验证。
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。