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1、红外辐射特性与传输研究进展及数值计算,谈和平 余其铮 刘林华 夏新林 阮立明 董士奎,航空航天热物理研究所,第1章 计算热辐射学概论,1.1 计算热辐射学的特点1.2 热辐射传递控制方程的分类1.3 辐射传输的计算方法概述,工程技术领域中涉及的热辐射传输问题通常都十分复杂：控制方程的非线性复杂的几何系统复杂的界面辐射特性（透明或非透明）随频率、方向变化的辐射特性等因此几乎不能得到问题的分析解。,1.1 计算热辐射学的特点,随着计算机技术和数值方法的发展，计算热辐射学作为理论分析法、实验研究法的补充，逐渐显示出它的作用。计算热辐射学研究辐射特性、辐射传输中牵涉到数值计算的共性问题，所涉及的内容往
2、往是计算数学、光学、电磁理论、量子力学、热辐射的交叉，是计算物理的一部分。,1.1 计算热辐射学的特点,迄今为止，流行的分类法是将热辐射的数值计算看作是计算传热学的一部分。但实际上，目前已出版的有关数值计算传热学的主要教材和专著，一般不包括热辐射数值计算的内容。,1.1 计算热辐射学的特点,1.1 计算热辐射学的特点,1 帕坦卡 S.V.传热与流体流动的数值计算张政 译，蒋章焰 校，北京：科学出版社，1984,文献1-4是目前传热数值计算的经典之著，被广泛参考与引用，但文献1-4中不包括计算热辐射学。,2 孔祥谦有限单元法在传热学中的应用 第二版，北京：科学出版社，1986,3 陶文铨计算传热
3、学的近代进展北京：科学出版社，2000,4 陶文铨数值传热学第二版，西安：西安交通大学出版社，2001,1.1 计算热辐射学的特点,近二十年来，已出版了许多涉及热辐射特性与传输的专著和教材5-22，但一般不包括或包括少量的热辐射数值计算内容。,5 Bohren C.F.，Huffman D.R.，Absorption and scattering of light by small particles，New York：John Wiley Son，Inc.，1983 6 王福恒，王嵩薇，近代科学技术中的原子分子辐射理论，成都：成都科技大学出版社，1991,文献5-8主要研究热辐射特性的微观过
4、程和相应的计算方法，包括：粒子的吸收和散射5；原子分子的辐射跃迁理论6。,1.1 计算热辐射学的特点,7 李世昌，高温辐射物理与量子辐射理论，北京：国防工业出版社，1992 8 章冠人，光子流体动力学理论基础，北京：国防工业出版社，1996,高温物质的统计理论、量子辐射理论、及相关的微观过程7；光子流体动力学8；但文6,7不包括数值计算，文8包括了宏观辐射传输方程和微观辐射特性的数值计算，但主要侧重于微观过程和辐射特性参数的获取。,1.1 计算热辐射学的特点,9 美 施天谟，计算传热学，陈越南等译，葛绍岩等校，科学出版社，1987：375-411 10 郭宽良，数值计算传热学，合肥：安徽科学技
5、术出版社，1987：289-346,文献9-22均涉及宏观红外辐射传输，但有关红外辐射传输数值计算的内容都不够系统和完整。例如：文献12只涉及辐射角系数与表面辐射换热的数值计算；文献9,13-17研究了介质热辐射的数值计算；,1.1 计算热辐射学的特点,11 卞伯绘，辐射换热的分析与计算，北京：清华大学出版社，198812 郭宽良，孔祥谦，陈善年，计算传热学，中国科学技术大学出版社，1988：241-260,文19介绍了红外辐射在大气中的传输。涉及计算热辐射内容最广的是文献11，但也没有包括粒子辐射、热辐射反问题、耦合换热的数值计算。,1.1 计算热辐射学的特点,13 苏 布洛赫.，锅炉炉内换
6、热，贾鸿祥 等译，陈听宽 校，西安：西安交通大学出版社，1988，第章 14 Brewster M.Q.，Thermal radiative transfer and propertis，New York：John Wiley Sons，1991 15 秦裕琨，炉内传热，修订版，北京：机械工业出版社，1992,1.1 计算热辐射学的特点,16 Siegl R.，Howell J.R.，Thermal radiation heat transfer，4th EditionTaylor&Francis，2002 17 Modest M.F.，Radiative heat transfer，2nd
7、EditionAcademic Press，200318 姚连兴，仇维礼，王福恒，目标和环境的光学特性，徐根兴主编，北京：宇航出版社，1995,1.1 计算热辐射学的特点,19 徐南荣，卞南华，红外辐射与制导，北京：国防工业出版社，1997 20 卞荫贵，徐立功，气动热力学，合肥：中国科技大学出版社，199721 余其铮，辐射换热原理，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000 22 欧阳水吾，谢中强，高温非平衡空气绕流，北京：国防工业出版社，2001,1.1 计算热辐射学的特点,热辐射的产生与传递机理，与导热、对流换热有根本的不同，导致描述它们的控制方程有很大的差异。由于方程不同，所以解法也不一
8、样。因而导热、对流换热数值计算中一系列行之有效的方法，大部分都不适用于辐射换热的数值计算。这主要表现在以下几方面。,1.1 计算热辐射学的特点,辐射换热中有两种形式的能量辐射能与热能。所以辐射换热计算中，除和导热、对流换热一样有温度或热量的未知量外，还多一个待求量辐射强度。这样，有关能量的方程就有两个，一是能量平衡方程，一是能量传递方程（即辐射传递方程）。导热、对流换热中这两者是统一的，能量方程即是平衡方程，也是传递方程。,1.1 计算热辐射学的特点,导热、对流换热是靠分子、原子微观运动或对流宏观运动来传递，所以它们的控制方程中有扩散项或对流项。热辐射靠热射线传输，所以热辐射传递方程中就没有扩
9、散项或对流项。,1.1 计算热辐射学的特点,描述热传导、对流换热的控制方程是微分方程。热辐射传输沿程衰减，局部区域的辐射能不仅取决于当地的物性与温度，还与远处的物性、温度有关。考虑远处及沿射线行程物性、温度的影响，传递方程就会出现带指数衰减型的积分项。,辐射特性随波长、方向变化。所以辐射的能量平衡方程与传递方程要对波长、方向、路径积分，通常为积分方程或积分微分方程。,1.1 计算热辐射学的特点,导热、对流换热有非稳态项，而在辐射换热中由于光的传播速度非常快，绝大多数工程问题可忽略。,由于上述原因，连续性方程、动量方程、能量方程、化学组分方程、湍流动能方程、湍流动能耗散率方程均可用通用微分方程表
10、示。,1.1 计算热辐射学的特点,式中：为待求变量，为变量 的扩散系数，为源项。,通用微分方程中的四项分别为：非稳态项、对流项、扩散项和源项。连续方程,1.1 计算热辐射学的特点,动量方程：,1.1 计算热辐射学的特点,式中：是粘度；是压力；是沿 方向的单位容积内的体积力；代表除去以 所表示的粘性力项之外的其它所有粘性力项。,能量方程,1.1 计算热辐射学的特点,式中：是比焓，是导热系数；是容积发热率。,但是，通用微分方程不能表示热辐射传输的控制方程。,1.1 计算热辐射学的特点,1.2 热辐射传递控制方程的分类,热辐射传输的控制方程按数学特点大体可分为三类：代数方程 积分方程 积分微分方程。
11、,1.5 热辐射传递控制方程的分类,第一类：控制方程为代数方程。属这类问题的有：被透明介质隔开的漫射（漫发射、漫反射）且有效辐射均匀的各表面间的辐射传热。,有效辐射均匀等价于：表面温度均匀、表面物性均匀、及投射辐射均匀。,第一类：控制方程为代数方程,例如，由n个等温漫灰面组成的封闭系统（图1-1），已知各面的温度，求各面的净热量；或已知各面的净热量，求各面的温度。,图1-1 n个等温面组成的封闭系统,1.2 热辐射传递控制方程的分类,第二类：控制方程为积分方程被透明介质隔开的漫射表面间的辐射传热，但表面温度、物性、投射辐射不均匀。为此应将表面细分，极限情况是无数个微元面的积分。被透明介质隔开有
12、效辐射均匀、非漫射面间的辐射传热。由于辐射特性与方向有关，需对立体角细分再积分。,1.2 热辐射传递控制方程的分类,已知温度场时吸收、散射性介质的辐射传热。由于吸收、散射的沿程性和方向性，需积分。已知微粒群光谱衰减系数，求非均匀系微粒群粒径分布的辐射反问题。因为光谱衰减系数反映了大小不同的微粒对射线衰减的综合效应。,1.2 热辐射传递控制方程的分类,已知光谱辐射强度，求参与性介质温度场的辐射反问题。因为光谱辐射强度反映了沿程各点介质温度的综合效应。,1.2 热辐射传递控制方程的分类,第三类：控制方程为积分微分方程温度分布未知时参与性介质的辐射传热。由于辐射强度与介质的温度分布有关，且衰减系数也
13、是温度的函数，因此须将辐射传递方程与能量方程联立求解。表面辐射与热传导、对流的耦合换热。参与性介质辐射与热传导、对流的耦合换热。,以上的分类也不绝对，因为控制方程的形式与基本假设有密切的关系。除第一类问题外，控制方程的求解都较困难，只有在个别简单情况下才能得到精确或近似解析解，大多数情况只能采用数值解。,1.2 热辐射传递控制方程的分类,1.3 辐射传输的计算方法概述,(1)假定界面为灰体，介质为灰介质。这是最简单的方法。,热辐射传输计算的特点是：辐射能量除与空间坐标有关外，还与空间方向和波长有关。对波长影响的处理，通常采用三种处理方法。,1.3 辐射特性随波长变化的处理,(2)平均当量参数法
14、平均当量参数法的基本思想是将随波长变化的物体表面特性、介质特性、粒子特性，按黑体发射光谱、或入射能量光谱、或其它光谱规律在全光谱范围内积分平均，得出相应的平均物性系数，使热辐射传递计算中的所有参数都变成全光谱的总参数，这样热辐射传输控制方程中就不再出现单色光谱参量。,1.3 辐射特性随波长变化的处理,例如：半球全光谱发射率（简称：发射率）用半球光谱发射率表示，则按黑体发射光谱平均,1.3 辐射特性随波长变化的处理,方向全光谱吸收率用方向光谱吸收率表示，则按入射辐射强度的光谱平均,1.3 辐射特性随波长变化的处理,介质的吸收系数有多种平均方法入射平均吸收系数按入射能量光谱平均：,1.3 辐射特性
15、随波长变化的处理,普朗克（Planck）平均吸收系数按黑体发射光谱平均：,1.3 辐射特性随波长变化的处理,在光学厚条件下，通常采用罗斯兰（Rosseland）平均吸收系数，它的定义式为,1.3 辐射特性随波长变化的处理,介质的平均系数与温度、压力、密度或入射光谱的分布有关。通常这些分布沿着射线传递路程是变化的，若考虑这些变化因素，计算就比较复杂，所以这种方法只适合比较简单或简化的情况，如果用于较复杂的情况，就会出现误差。,1.3 辐射特性随波长变化的处理,(3)波带近似法 在要求计算精度较高的情况下，通常采用波带近似法（也称：谱带近似法，能带近似法，多带近似法）。波带近似法根据系统内表面的反
16、射率或发射率，介质、粒子的折射率和衰减系数或吸收系数等辐射特性随波长变化的规律，将全波长范围分成有限数目的波带。,1.3 辐射特性随波长变化的处理,(3)波带近似法 使每个波带范围内光谱辐射特性变化不大，并视其为常数，这样就可以在每一波带内按灰体、灰介质模型进行计算。即，随波长变化的辐射特性，用一组矩型波带描述，各波带的辐射换热量之和，即为总换热量。,1.3 辐射特性随波长变化的处理,(3)波带近似法 当波带数目 取得足够多时，每一波带的间隔 足够小，极限时，即为单色分析，也就是根据每一波长下的辐射特性对物体之间的辐射换热进行计算。波带的划分以例说明之。,表1-2 硅玻璃和硼硅酸盐光谱参数的波
17、带近似参数,图1-1 1073K下硅玻璃光谱吸收系数用11个波带近似,图1-2 293973K下硼硅酸盐的光谱吸收系数用9个波带近似,图1-3 650700K下 的光谱吸收系数,1,3,4,5,6,7,0,500,1000,1500,2000,3200,4000,2,图1-4 650700K下 光谱吸收系数用15个波带近似,1,2,3,4,5,6,7,10,1400,15,1200,1000,3400,400,500,600,700,0,3800,3200,3600,4000,10000,20,30,10,1.3 辐射传输的计算方法概述,解析法。适用范围比较窄，但从理论上可加深对辐射换热的物理
18、过程、概念及各参数间相互关系的理解。,对空间方向的影响，除区域法、蒙特卡洛法和射线踪迹法外，一般均对空间立体角离散。下面分别介绍一些目前常用方法的特点。,1.3 辐射传输的计算方法概述,射线踪迹法。特点是将辐射看为一能束，跟踪此能束，观察其发生到消失过程中它的一切行为。净热量法。引入有效辐射的概念，将交换的能量分为投射辐射、反射辐射和本身辐射。从这些能量中计算出换热面净得或失去的能量。,1.3 辐射传输的计算方法概述,热流法（通量法）是将整个空间分布的辐射强度分成前、后半个空间均匀分布的两部分，可各得一平均热流密度，称为双热流法。如是二维空间，两个方向上各有两个热流密度，称为四热流法。如是三维
19、空间，就成六热流法。,1.3 辐射传输的计算方法概述,离散强度法。将计算区域离散，围绕每个结点取若干个方向的辐射强度作为未知量，列出结点与各坐标方向相邻结点的传递方程，此方法称离散强度法。,1.3 辐射传输的计算方法概述,离散传递法，若将表面上方半球空间分成若干个立体角，将表面辐射强度离散到各个立体角中，并假设各立体角内辐射强度均匀分布，沿着立体角方向列出离散的辐射传递方程，此方法为离散传递法。,1.3 辐射传输的计算方法概述,区域法及有限元法。将系统内各面与空间介质各分成若干等温、等物性区。通过积分求出辐射直接交换面积、辐射总交换面积。建立一组求能量平衡的代数方程。如按有限元原则来划分网格，
20、则称为有限元法。蒙特卡洛方法。,1.3 辐射传输的计算方法概述,一种有效的计算方法应考虑以下几个方面：计算效率、计算精度；几何形状的适应性；与热传导、对流、气动等问题网格划分的兼容性；对多维问题的适应性；,1.3 辐射传输的计算方法概述,处理其它物理模型（如：气体辐射特性的窄波段与宽波段模型）的可行性。,迄今为止，还很难提出一种最完善的计算方法能同时有效地处理好上述各个方面，经过分析、比较各有优缺点，比较时通常以区域法或蒙特卡洛法的计算结果为基准。,1.4 蒙特卡洛方法,蒙特卡洛方法是一种随机模拟方法。将其应用于辐射传热计算时，其基本思想是把辐射能量看成由大量独立的光束（光子）组成。把复杂的辐射传递问题分解为发射、反射、吸收、散射等独立过程。每一光束在系统内的传递过程，由一系列随机数确定。跟踪一定量的光束，可得较为稳定的统计结果。,1.4 蒙特卡洛方法,1.4.1 辐射传递因子 辐射传递因子RDij 的定义为：在一个换热系统中，由单元 i 辐射出去的能量被单元 j 吸收的份额。比较角系数Xij 的定义：在一个换热系统中，由单元 i 辐射出去的能量到达单元 j 的份额。,本研究获：国家自然科学基金、国防科技预研、国防科技预研基金、航天预研、光华基金、霍英东基金、教育部博士点基金的资助。谢谢！请指正。,
