《传热学》习题课(辐射换热)

《传热学》习题课（辐射换热）课件制作：尹华杰第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—复习题•1.什么叫黑体？在热辐射理论中为什么要引入这一概念？答：黑体：吸收比等于1的物体。因吸收比等于1，反射比和透射比等于零，黑体的辐射能力最大。引入这一概念可使物体辐射的研究简化，方便充分地研究物体辐射的各种性质、规律。在研究了黑体辐射的基础上，处理其他物体辐射时，与黑体相比较，找出其与黑体辐射的偏离，然后确定修正系数。把黑体的研究结果运用于实际。第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—复习题•2.温度均匀的空腔壁面上的小孔具有黑体辐射的特性，那么空腔内部壁面的辐射是否也是黑体辐射？答：不是。空腔内部壁面上的辐射有自身辐射及反射辐射。第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—复习题•3.试说明，为什么在定义辐射力时要加上“半球空间”及“全部波长”的说明？答：加上“半球空间”是说明，向各个方向发射的辐射能；由于不同波长发射的辐射能不同，加上“全部波长”说明，辐射力是包括所有波长的辐射能。第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—复习题•4.黑体的辐射能按波长是怎样分布的？光谱吸收力Ebλ的单位中分母的“m3”代表什么意义？答：黑体的辐射能按波长的分布服从普朗克定律：光谱吸收力Ebλ的单位中分母的“m3”代表：㎡·m，㎡代表单位辐射面积，m代表单位波长范围。1251TcbecE第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—复习题•5.黑体的辐射能按空间方向是怎样分布的？定向辐射强度与空间方向无关是否意味着黑体的辐射能在半球空间各方向上是均匀分布的？答：黑体的辐射能在空间各个方向的定向辐射强度相等。单位辐射面积发出的辐射能，落到空间不同方向单位立体角内的能量的数值不等，其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦。不是均匀分布的，而是法线方向最大，切线方向为零，服从余弦分布规律。第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—复习题•6.什么叫光谱吸收比？在不同光源的照耀下，物体常呈现不同的颜色，如何解释？答：光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数。是因为物体的光谱吸收具有选择性，而造成的。如果只反射了一种波长的可见光，而几乎全部吸收了其他可见光，它就呈现被反射的这种辐射线的颜色。第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—复习题•7.对于一般物体，吸收比等于发射率在什么条件下才成立？答：条件：漫射灰体表面、发射和吸收表面具有同样温度。第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—复习题•8.说明灰体的定义以及引入灰体的简化对工程辐射换热计算的意义。答：灰体：光谱吸收比与波长无关的物体。意义：灰体的吸收比与投入辐射的分布无关，是一个常数，只取决于本身的情况与外界情况无关。给辐射分析带来很大简化。灰体的吸收比是物体自身的一个物性。第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—复习题•9.黑体辐射具有漫射特性。如何理解从黑体模型(温度均匀的空腔器壁上的小孔)发出的辐射能也具有漫射特性呢?答：漫散特性是辐射从发射源向空间的各个方向均匀发射。由于黑体模型的空腔器壁有一定的粗糙度，入射光进入模型后，经过不规则的反射，折射，从黑体模型的小孔中射出时，在各个方向均有射线，由于小孔相对球体很小，从小孔射出的光线辐射能量也较均匀第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—复习题•10.什么叫太阳常数？在地面上所接受到的太阳辐射与大气层外缘所接受到的太阳辐射有什么不同？答：太阳常数：大气层外缘与太阳射线相垂直的单位面积所接受到的太阳辐射能1367±1.6W/m2，称为太阳常数。在地面上所接受到的太阳辐射与大气层外缘所接受到的太阳辐射不同点是：穿第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—复习题•过大气层的辐射能的减弱。减弱包括两部分，一部分为大气层中的云层和较大尘粒把太阳辐射部分地反射回宇宙空间；一部分是大气层中的O3、N2、O2、H2O及尘埃等对太阳辐射的散射和吸收。使到达地面的太阳辐射能比到达大气层外缘的减少了对太阳直接辐射的反射回宇宙空间部分，大气散射和吸收部分。第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—习题•8-1一电炉的电功率为1kW，炉丝温度为847℃，直径为1mm。电炉的效率（辐射功率与电功率之比）为0.96。试确定所需炉丝的最短长度。•解：mldlTCEb425.3100112057.510100096.0100096.010096.096.04340第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—习题•8-11把地球作为黑体表面，把太阳看成是T=5800K的黑体，试估算地球表面的温度。已知地球直径为1.29×107m，太阳直径为1.39×109m，两者相距1.5×1011m。地球对太空的辐射可视为对0K黑体空间辐射。•解：4401100580067.5100TCEbldΩ太阳地球第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—习题224222—10coscos10067.544—1coseeeeeberlrd：，ldTrrEd：，rdLddAd为地球与太阳的距离时太阳对地球所张立体角为地球半径时地球向太空辐射的能量第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—习题KrlrTELL；rr，dAdAesebss17.2791029.15.0105.11039.15.058005800:)1(—;—7411412212式可得地球表面温度把以上各式代入太阳半径太阳辐射面积第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—习题•8-12如附图所示，用一个运动的传感器来测定传送带上一个热试件的位置。设热试件的辐射具有黑体的特性，问传感器与热试件之间的距离x1多大时，传感器接收到的辐射能是传感器与试件位于同一直线上时的75%？x1传感器热试件H=1mθθdAdAc第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—习题mxLdAdALxdAdAdxLxdAdAdLdAdALdAdAdLddAdccccc393.0175.0175.0111coscos1cos:0cos10:cos122121212斜方向时直上下时x1传感器热试件H=1mθθdAdAc第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—习题•8-15已知材料A、B的光谱发射率ε（λ）与波长的关系如附图所示，试估计这两种材料的发射率ε随温度变化的特性，并说明理由。解：由基尔霍夫定律：α=ε由式（7-20）：α(λ)λAB0第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性—习题•随温度升高，Ebλ（λ，T）~λ曲线峰值向短波方向移动，即Ebλ（λ，T）/Eb（T）在短波处增大，而在长波处减小。由题图可得：材料A的ε（T）随温度增加而增大；材料B的ε（T）随温度增加而减小151002,,,TCbbbbbeCTE：dTETETEdTET由普朗克定律第九章辐射换热的计算—复习题•1.试述角系数的定义。“角系数是一个纯几何因子”的结论是在什么前提下得出的？答：角系数的定义：表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数，记为X1,2。角系数是一个纯几何因子的结论基于下面两个假定：①所研究的表面是漫射的，说明反射在各个方向上是均匀的；②在所研究表面的不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的。在这两个假定下，物体的表面温度及发射率的改变，只影响到该物体向外发射辐射能大小而不影响在空间的相对分布，因而不影响辐射能落到其他表面上的百分数。第九章辐射换热的计算—复习题•2.角系数有哪些特性？这些特性的物理背景是什么？答：角系数的特性：①相对性；②完整性；③可加性。物理背景：相对性是当表面1与表面2的温度相等时，净辐射换热量为零的结论。完整性是封闭系统辐射换热的能量守恒原理的结果。可加性是从表面1上发出而落在表面2上的总能量，等于落在表面2上各部分的辐射能之和的结论。第九章辐射换热的计算—复习题•3.为什么计算一个表面与外界之间的净辐射换热量时要采用封闭腔的模型？答：是因为：热辐射物体以电磁波方式向外界传递能量的过程，在计算任何一个表面与外界之间的辐射换热时，必须把由该表面向空间各个方向发射出去的辐射能考虑在内，也必须把由空间各个方向投入到该表面上的辐射能包括进去。为确保这一点，计算的对象必须是包括所研究的表面在内的一个封闭腔。第九章辐射换热的计算—复习题•4.实际表面系统与黑体系统相比，辐射换热计算增加了哪些复杂性？答：有三个方面：㈠实际表面的吸收比小于1，投入到实际表面上的辐射能的吸收不是一次完成的，要经过多次反射；㈡实际物体的材料对光谱辐射有一定的选择性；㈢由一个实际物体表面向外发射出的辐射能除了其自身的辐射力外还包括了被反射的辐射能在内。第九章辐射换热的计算—复习题•5.什么是一个表面的自身辐射、投入辐射及有效辐射？有效辐射的引入对于灰体表面系统辐射换热的计算有什么作用？答：自身辐射：物体从一个表面由于自身的辐射性质而发射出动的辐射。投入辐射：单位时间内投射到表面的单位面积上的总辐射能。有效辐射：单位时间内离开表面单位面积的总辐射能。作用：避免了在计算辐射换热时出现多次吸收反射的复杂性。第九章辐射换热的计算—复习题•6.对于温度已知的多表面系统，试总结求解每一表面净辐射换热量的基本步骤。答：温度已知时，发射率、辐射能可求出。可采用网络法或数值方法求解。但首先应计算出每个面的辐射能Ebi发射率εi，解系数Xi,j。然后再计算各表面的有效辐射Ji，最后由确定每个表面的净辐射换热量。iiiibiiAJE1第九章辐射换热的计算—复习题•7.什么是辐射表面热阻、什么是辐射空间热阻？网络法的实际作用你是怎样认识的？答：辐射表面热阻：；辐射空间热阻：。网络法的实际作用是求解三表面封闭系统的辐射换热问题；对大于或等于4表面封闭系统的辐射换热问题的数值解法计算式的推导建立基础。A12,111XA第九章辐射换热的计算—复习题•8.什么是遮热板？试根据自己的切身经历举出几个应用遮热板的例子。答：遮热板：插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板。例子：楼房顶的隔热层；房内的吊顶。第九章辐射换热的计算—复习题•9.试述气体辐射的基本特点。答：①气体辐射对波长有选择性；②气体的辐射和吸收在整个容积中进行。第九章辐射换热的计算—复习题•10.什么是气体辐射的平均射线程长？离开了气体所处的几何空间而谈论气体的发射率与吸收比有没有实际意义？答：气体辐射的平均射线程长：所研究情况下气体对指定地区的辐射力等于半球内的气体具有与所研究情况相同的温度压力和成分时，该半球内气体对球心的辐射力，这个半球为当量半球，当量半球的半径为气体辐射的平均射线程长。没有实际意义。因为气体的光谱发射率和光谱吸收率与射线行程的长度有关，而射线程长取决于气体容积的形状和尺寸。第九章辐射换热的计算—复习题•11.按式（9-29），当s很大时气体的α（λ，s）趋近于1。能否认为此时的气体层具有黑体的性质？答：式（9-29）为：。不能认为此时的气体层具有黑体的性质。因为当s很大时α（λ，s）趋近1，是气体中有辐射力和三原子、多原子及结构不对称的双原子气体成分在有辐射能力的光带内达到的。而气体中的其它成分并不具有辐射能力，因此不能认为具有黑体的性质。skes1,第九章辐射换热的计算—复习题•12.9.5.1节中关于控制表面热阻的讨论是对图9-37所示的同心圆柱面系统进行的，其结论对于像图9-15a所示的两表面封闭系统是否也成立？答：同样成立。图9-37所示的同心圆柱面系统的圆柱为无限长与图9-15a所示的两表面封闭系统，其辐射均是在小表面1和大表面2之间进行，没有向两表面外散失，辐射热阻符合串联热阻叠加原则。在总热阻中减小各串联环节中最大热阻项可显著地减小总热阻