西安交通大学传热学课件8

1/95传热学HeatTransfer辐射传热Radiative/RadiationHeattransferRadiativeHeatTransferMichaelF.Modest@PennState2/95传热学HeatTransfer主要内容热辐射基本定律和特性辐射传热计算基本概念基本定律角系数封闭系统辐射传热计算实际物体辐射特性灰体气体辐射的特点辐射传热的强化和抑制3/95传热学HeatTransfer•航空航天•传统工业•高新技术•日常生活•………辐射换热应用背景介绍4/95传热学HeatTransfer航空航天火箭发射空间站5/95传热学HeatTransfer传统工业说明：高炉中的高温火焰与炉膛的热量交换方式主要依靠辐射换热。锅炉炉膛钢铁冶炼高炉6/95传热学HeatTransfer高新技术计算机芯片冷却激光加工说明：随着计算机等高新技术的飞速发展，“热障”问题越来越成为人们关注的焦点。7/95传热学HeatTransfer日常生活(1)人体散热人体与墙壁间的热交换太阳能利用8/95传热学HeatTransfer日常生活(2)保温瓶的散热窗帘对太阳能的阻隔作用说明：不要以为辐射只有在高温时才重要，其实在常温甚至低温下有时也很重要，辐射换热的推动力是温差。9/95传热学HeatTransfer太阳能利用(1)光—热转换太阳能热水器10/95传热学HeatTransfer太阳能灯太阳能利用(2)11/95传热学HeatTransfer太阳能光伏发电站太阳能利用(3)12/95传热学HeatTransfer德国新议会大厦太阳能利用(4)13/95传热学HeatTransfer第八章热辐射基本定律和辐射特性14/95传热学HeatTransfer1、定义§8-1热辐射的基本概念一、热辐射热辐射－thermalradiation辐射传热－radiationheattransfer•物体由于热的原因（温度高于0K）而发射电磁波的现象•物体之间通过热辐射交换热量的过程•当系统达到热平衡时，辐射传热量为零，但热辐射仍然不断进行15/95传热学HeatTransfer•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；•可以在真空中传播；•伴随能量形式的转变；•具有强烈的方向性；•辐射能与温度和波长均有关2、特点16/95传热学HeatTransfer1、f＝C二、热辐射具有电磁波的共性2、电磁波谱17/95传热学HeatTransfer•理论上覆盖整个电磁波谱；•可见光0.380.76m红外线0.7625100m•一般工业范围内（2000K以下）：0.76100m0.7620m?•对于太阳辐射（约5800K）：0.22m18/95传热学HeatTransfer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11QQQQQQQQQQ3、物体对热辐射的吸收、反射和穿透absorptivityreflectivitytransmissivity19/95传热学HeatTransfer对于大多数的固体和液体1111,01,0透明体对于不含颗粒的气体对于黑体镜体或白体只涉及表面整个气体容积假想的20/95传热学HeatTransfer4、反射同样具有镜反射和漫反射的分别镜反射漫反射21/95传热学HeatTransfer1、为什么？三、黑体模型2、黑体模型•可以全部吸收投射到其表面上的所有波长的辐射能；•现实世界中并不存在严格意义上的黑体；•实验室模型22/95传热学HeatTransfer带有小孔的温度均匀的空腔•小孔的孔径越小越大；•温度均匀是为了保证辐射均匀且各向同性。23/95传热学HeatTransfer黑体辐射有三个基本定律§8-2黑体辐射的基本定律Stefan-Boltzmann’sLawPlanck’sLawLambert’sLaw从不同角度描述了一定温度下的黑体辐射的基本规律24/95传热学HeatTransfer一、Stefan-Boltzmann’sLaw•单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和•单位：W/m2•从总体上表征了物体辐射能力的大小1、辐射力Eemissivepower25/95传热学HeatTransfer•－Stefan-Boltzmann常数5.6710-8W/(m2·K4)•C0－黑体辐射系数5.67W/(m2·K4)2、表达式40100TCEb4TEb26/95传热学HeatTransfer•1879年由Stefan根据实验结果提出，1884年由Boltzmann用理论分析法予以证实；•Boltzmann其人热科学领域杰出的科学家Boltzmanntransportequation1906年亚德里亚海•ET43、说明collisionscatteringfpfFfVf/27/95传热学HeatTransfer二、Planck’sLaw•单位时间、单位波长范围内（包含某一特定波长）、物体的单位表面积向半球空间发射出去的辐射能•单位：W/m31、光谱辐射力Espectralemissivepower28/95传热学HeatTransfer1)(512TcbecE式中：λ—波长，mT—黑体温度，Kc1—第一辐射常数，3.742×10-16Wm2c2—第二辐射常数，1.4388×10-2WK2、Planck定律29/95传热学HeatTransfer30/95传热学HeatTransfer31/95传热学HeatTransfer3、Planck定律和Stefan-Boltzmann定律的关系dEEbb032/95传热学HeatTransfer4、Wien位移定律K109.23maxmT33/95传热学HeatTransfer21dEEbb5、黑体辐射函数34/95传热学HeatTransferTfTdEFbb40~0bbbEFE2121~~1221~0~0~bbbFFF表8-1黑体辐射函数表（注意单位mK）35/95传热学HeatTransfer试分别计算温度为1000K、1400K、3000K、6000K时可见光和红外线辐射在黑体总辐射中所占的份额。分析：可见光和红外线的波长范围分别为0.38～0.76m和0.76～1000m。将给定温度各自乘以0.38m、0.76m、1000m，从而得到各个T值。然后根据这些T值，在表8-l上查得各自的能量份额(0)bF值，再据式(8-11)计算出可见光和红外线辐射各自占的份额。6、黑体辐射力中不同波长辐射能的比例（1）例8-3（P.363）36/95传热学HeatTransfer温度（K）可见光红外线10000.1%99.9%300011.6%88.3%600046.0%42.6%定性上实际物体的光谱辐射力按波长分布的规律………一致37/95传热学HeatTransfer三、Lambert’sLaw定义：球面面积除以球半径的平方单位：sr（球面度）2ddrAc1、立体角平面角38/95传热学HeatTransfer39/95传热学HeatTransferdsinddrrAc2ddrAcddsind40/95传热学HeatTransfer2、可见辐射面积41/95传热学HeatTransfer（1）定义()()cosdddIA3、定向辐射强度I(,)在单位时间内、单位可见辐射面积上、单位立体角内发射的一切波长的能量单位：W/m2·sr（2）黑体的定向辐射强度Ib()bIIC42/95传热学HeatTransfer（1）定向辐射强度与方向无关的规律()cosdddIA4、Lambert定律（2）对于服从Lambert定律的辐射又称余弦定律（3）黑体辐射法向方向最大，切线方向为零漫射表面43/95传热学HeatTransfer5、黑体定向辐射强度与辐射力之间的关系()cosdddIA2200()coscossincossinbbbbbEIAIddIddIddd44/95传热学HeatTransfer6例题8-4如图所示，有一微元黑体面积为3210mbdA，与该黑体表面相距0.5m处另有三个微元面积，1dA，2dA，3dA，面积均为3210m，该三微元面积的空间方位如图中所示。试计算从各为bdA发出分别落在1dA，2dA与3dA对bdA所张的立体角中的辐射能量。45/95传热学HeatTransfer分析:先根据1dA，2dA与3dA的大小与方向确定它们对bdA所张的立体角，然后根据式（8-15a）即可得出所求解的能量计算:据式（8－12）有：323112210mcos(30)3.4610sr(0.5m)dAdr323222210mcos(0)4.0010sr(0.5m)dAdr323332210mcos(0)4.0010sr(0.5m)dAdr232311(60)cos17000W/(msr)(10m)3.4610sr2bdIdAd21.2110W232312(0)cos7000W/(msr)(10m)13.4610srbdIdAd22.8010W2323222(45)cos7000W/(msr)(10m)14.0010sr2bdIdAd21.9810W讨论：正如前面所指出的，黑体的定向辐射强度与方向无关是因为它是以单位可见面积作为度量单位的，实际上黑体辐射能量在空间的分布是不均匀的，法线方向最大，切线方向为零；还应注意，本题得出的是落到该立体角中的能量，但未必是微元面积，及dA1、dA2和dA3所吸收的来自黑体微元面积得能量，后者还与微元面积本身的辐射特性有关。46/95传热学HeatTransferStefan-Boltzmann´sLaw四、小结Planck´sLawLambert´sLaw总体按波长分布在空间分布47/95传热学HeatTransfer§8-3实际固体和液体的辐射特性总体按波长分布按空间分布｛一、实际物体的辐射力E实际物体的辐射不同于黑体48/95传热学HeatTransferTETEb49/95传热学HeatTransfer1、发射率（emissivity）4TEEEb•一般通过实验测定•只取决于物体本身，与外界无关2、计算式4TEEb50/95传热学HeatTransfer3、说明•并不严格遵从四次方定律•怎么办？•认为E∝T4•由此引起的修正归入用实验方法确定的中•因此还与物体本身的温度有关51/95传热学HeatTransfer二、实际物体的光谱辐射力E1、光谱发射率bEE•：0～1•一般与波长有关52/95传热学HeatTransfer2、光谱辐射力EbEE••不同于Planck定律TETEb53/95传热学HeatTransfer三、实际物体的定向辐射强度1、定向发射率（）bII•（）：0～1•一般与有关•漫射表面实际物体•同温度•与有关bII54/95传热学HeatTransfer2、实际物体定向发射率（）的变化规律金属导体•0～30º，（）常数•然后随增大而增大•接近90º时急剧减小黑体？55/95传热学HeatTransfer非金属•0～60º，（）常数，然后随增大而急剧减小56/95传热学HeatTransfer3、法向黑度n实际物体的（）随变化很大•半球