V4-第九章-辐射传热的计算-2014.

第九章辐射传热的计算本章讨论物体间辐射传热的计算方法，重点是固体表面间的辐射传热。首先介绍辐射传热中的一个重要几何因子——角系数，它的定义、性质及其计算方法，然后讨论由两个表面和多个表面组成的封闭腔中辐射传热的计算方法，最后介绍强化或削弱辐射传热的方法。传热学HeatTransfer9-1角系数的定义、性质与计算即便其它条件一致，两物体间的辐射换热量随表面的相对位置不同而存在较大的差异。（教材图9-1）Why角系数定义：表面1发出的辐射能落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数X1,2“发出”—包含表面1自身的辐射和反射的辐射；“落到”—不管表面2是否能够吸收；的总辐射能离开表面的辐射能并直接到达表面离开表面1212,1X角系数概念的假定：①所研究的表面为漫射体②表面的辐射热流均匀角系数的基本属性：纯几何因子，与表面的温度和发射率无关。1,2222,1112,1XEAXEAbb两黑体表面间的辐射换热量传热学HeatTransfer9-1角系数的定义、性质与计算角系数的性质相对性完整性可加性角系数的相对性：两个表面间的角系数X1,2和X2,1不是独立存在的。（推导基于立体角概念和兰贝特定律）1,222,11XAXA两个有限大小表面1传热学HeatTransfer9-1角系数的定义、性质与计算角系数的性质相对性完整性可加性角系数的完整性：由n个表面组成的封闭腔，有2niinXXXXX1,1,13,12,11,11表面1为非凹表面（凸面或平面）：X1,1＝0表面1为凹表面：X1,1≠0发射面1自身凹表面非凹表面传热学HeatTransfer9-1角系数的定义、性质与计算角系数的性质相对性完整性可加性角系数的可加性：设表面2由2A和2B两部分组成，有3BAXXX2,12,12,1表面1到表面2表面2到表面11,2221,2221,2BBAAXAAXAAX注意：1,21,21,2BAXXX角系数的直接相加仅适合角系数符号第二角码传热学HeatTransfer9-1角系数的定义、性质与计算角系数的计算直接积分法代数分析法几何分析法、蒙特卡罗法…直接积分法：利用角系数的基本定义通过多重积分求解。1四重积分太复杂？常见几何结构角系数的求解查图表（教材图9-7～9-9、表9-1、9-2）9-1角系数的定义、性质与计算角系数的计算直接积分法代数分析法几何分析法、蒙特卡罗法…代数分析法：利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。例1：求三表面组成的封闭系统的角系数计算式。2三个非凹表面组成的封闭系统（忽略垂直方向两端辐射能的逸出）2,333,222,31,31,333,113,21,21,222,113,12,1111XAXAXXXAXAXXXAXAXX相对性完整性9-1角系数的定义、性质与计算三个非凹表面组成的封闭系统（忽略垂直方向两端辐射能的逸出）13212,12AAAAX13212,12llllX以线段长度表示2,333,222,31,31,333,113,21,21,222,113,12,1111XAXAXXXAXAXXXAXAXX相对性完整性续例1：求三表面组成的封闭系统的角系数计算式。9-1角系数的定义、性质与计算角系数的计算直接积分法代数分析法几何分析法、蒙特卡罗法…代数分析法：利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。例2：求任意两个表面间的角系数Xab,cd。2两个非凹表面及假想面组成的封闭系统（垂直方向无限长）abadbdabXabbcacabXXXXbdabacabbdabacabcdab221,,,,,完整性9-1角系数的定义、性质与计算两个非凹表面及假想面组成的封闭系统（垂直方向无限长）的断面长度表面不交叉线之和交叉线之和1,22)()(AabbdacadbcXcdab又称为交叉线法。交叉线和不交叉线均指虚拟的辅助线。例题续例2：求任意两个表面间的角系数Xab,cd。abadbdabXabbcacabXXXXbdabacabbdabacabcdab221,,,,,完整性传热学HeatTransfer作业：9-59-7传热学HeatTransfer9-2被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热透热介质：不参与热辐射的介质。封闭腔模型：计算任一表面与外界的辐射换热，必须计及空间各方向辐射能的发射和接收。因此，计算对象必须是包含所研究表面的封闭腔。封闭腔边界可以是全部真实的，亦可部分虚拟的。封闭腔模型适用于黑体和漫灰表面间辐射换热计算。被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热两黑体表面两漫灰表面导热、对流传热辐射传热直接接触的物体物体表面间被真空或者透热介质隔开吸收比小于1，且存在对投入辐射的反射传热学HeatTransfer9-2被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热1被透热介质隔开的两黑体表面间的辐射换热2,1121211,22212,111,2222,1112,1/1)()()(XAEEEEXAEEXAXEAXEAbbbbbbbb角系数的相对性黑体辐射换热的等效网络411TEb2,1422TEb2,111XA空间辐射热阻黑体辐射换热计算的关键在于角系数X1,2的求取空间辐射热阻的理解？9-2被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热2被透热介质隔开的两漫灰表面间的辐射换热漫灰表面吸收与发射辐射能的特点有效辐射J的概念投入辐射G：单位时间投射到单位表面积的总辐射能。有效辐射J：单位时间离开单位表面积的总辐射能，包括自身辐射和反射辐射。11111111)1(GEGEJb漫灰表面1外能感受到的表面辐射即有效辐射J1，计算漫灰表面的辐射换热采用有效辐射的概念，而非黑体的辐射力Eb。有效辐射自身辐射反射辐射固体、液体的穿透比＝0，1111,2222,1112,1XJAXJA1,2222,1112,1XEAXEAbb黑体漫灰表面参考材料例题9-4传热学HeatTransfer9-2被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热2被透热介质隔开的两漫灰表面间的辐射换热漫灰表面间辐射换热量q与有效辐射J的关联：GEqbGJqqEJb)11(1JEqb关联式具有普遍性，注意是针对同一表面，且以向外的净放热为正值。实际物体表面的有效辐射J总是小于相同表面温度的黑体辐射力Eb吗？传热学HeatTransfer9-2被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热2被透热介质隔开的两漫灰表面间的辐射换热1,2222,1112,1XJAXJA22221111)11()11(qEJqEJbb221,2112,11,22,1AqAq)(212,112,1bbEEXA)(212,112,1bbsEEXA11111121,212,1XXs两黑体表面两漫灰表面系统发射率εs：是考虑由于灰体系统多次吸收与反射对换热量影响的因子。εs1传热学HeatTransfer9-2被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热2被透热介质隔开的两漫灰表面间的辐射换热)(212,112,1bbsEEXA两漫灰面辐射换热的等效网络2222,11111212,1111AXAAEEbb1bE2,11111A2J1J2bE2221A2,111XA空间辐射热阻表面辐射热阻表面辐射热阻两漫灰面辐射换热的等效网络相比于两黑体表面多出两个表面辐射热阻两类热阻的理解？11111121,212,1XXs9-2被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热2被透热介质隔开的两漫灰表面间的辐射换热)(212,112,1bbsEEXA表面1为非凹面，X1,1＝0X1,2＝1简化1X1,2＝1，表面积A1≈A2简化211112211AAs111121sX1,2＝1，表面积A1A2简化31sA1A211111121,212,1XXs教材例题9-2p408传热学HeatTransfer9-3多表面系统辐射换热的计算对于多表面系统，采用网络法计算每一个表面的净辐射换热量。网络法：将辐射热阻比拟成等效的电阻，通过等效的网络图求解辐射换热。用电路来比拟辐射热流的传递路径，电路中的电流、电位差和电阻对应辐射换热中的热流、热势差与热阻。Eb～源热势J～节点热势Ф～热流每一个辐射表面对应一个表面辐射热阻，黑体的表面辐射热阻为零每一对辐射表面对应一个空间辐射热阻。表面辐射热阻对应热势差Eb-J空间辐射热阻对应热势差J1-J2传热学HeatTransfer9-3多表面系统辐射换热的计算网络法求解辐射换热的步骤：1.分析封闭系统的表面组成，以及各个表面的性质（黑体、漫灰、绝热）；2.画出等效网络图；2.1每个辐射表面（非绝热的）画出相应的电路（源热势、节点热势、表面辐射热阻）；2.2各表面间由节点热势（即有效辐射J）通过空间辐射热阻进行连接。三个漫灰面组成的封闭空腔传热学HeatTransfer9-3多表面系统辐射换热的计算网络法求解辐射换热的步骤：3.根据等效网络图，利用电路基尔霍夫定律（所有流向节点J的热流量代数和＝0），列出节点的电流（热流量）方程；传热学HeatTransfer9-3多表面系统辐射换热的计算网络法求解辐射换热的步骤：4.求解节点的电流（热流量）方程，得到节点热势（即有效辐射J），每个表面对应一个J，N个表面得到J1～JN；5.计算每个表面的净辐射换热量Фi，以及两个表面间的辐射换热量Фi，j。iiiibiiAJE1jiijijiXAJJ,,1任一表面的净辐射换热量：两表面间的辐射换热量：传热学HeatTransfer9-3多表面系统辐射换热的计算网络法求解辐射换热的两个特例：一个表面为黑体或面积无穷大，对应的表面辐射热阻＝0，Ji＝Ebi13333301bEJA两个漫灰面+一个黑体面组成的封闭空腔减少一个节点方程传热学HeatTransfer9-3多表面系统辐射换热的计算网络法求解辐射换热的两个特例：一个表面绝热，净辐射换热量q＝0（即为重辐射面Ji＝Ebi）233bEJ两个漫灰面+一个重辐射面组成的封闭空腔重辐射面：表面温度未定而净辐射换热量为零的表面。与特例1的区别在于J3并不是源电势，表面温度T3未知。传热学HeatTransfer9-3多表面系统辐射换热的计算上述辐射换热计算的前提条件：1.透热介质+封闭腔模型；2.稳态换热；3.辐射表面为黑体或漫灰表面；4.辐射表面的辐射热流均匀（对于漫灰面，即有效辐射J均匀）；5.不考虑对流换热本书介绍的辐射换热计算必须满足上述前提。两点补充：1.适合计算机求解的有效辐射显式形式；2.计算表面的划分应该以热边界条件为依据，不能拘泥于几何边界。参考材料例题9-6传热学HeatTransfer9-4气体辐射的特点及计算气体辐射透热气体：无发射和吸收辐射能能力的气体空气、H2、O2、N2等吸收性气体：有发射和吸收辐射能力的气体O3、H2O、CO2、SO2、CO等YN气体辐射的特点（CO2、H2O）：1.气体辐射对波长有选择性，CO2、H2O各有三个位于红外线光带的区间具有辐射和吸收的本领。气体一般不能做灰体假设；2.气体辐射在整个容积中进行，与气体的在容器中的分子数目和容器的形状和容积有关。传热学HeatTransfer气体光谱辐射强度的削弱规律－贝尔定律辐射能通过吸收性气体层，不断被气体吸收而削弱。削弱的程度取决于辐射强度和气体分子数目。贝尔定律：光谱辐射强度呈指数规律衰减。skseII0,,气体的光谱穿透比气体的光谱反射比气体的光谱发射率skseLLs0,,),(0),(