热辐射的本质是电磁波的辐射能和物质的内能之间相互转换。电磁波传播过程中,热辐射主要包括以下现象:
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反射(reflection) -
折射(refraction) -
吸收(absorption) -
散射(scattering)
1 反射和折射
在不同物质的界面上,辐射会发生反射(如下图 I 到 R 路径);若界面两侧均为透明介质,也会同时发生折射(如下图 I 到 T 路径)。
辐射的反射满足反射定律:
根据物体表面的粗糙度,反射可分为漫反射和镜面反射两类,若表面完全随机的不平整,辐射为漫反射;表面完全理想平整,辐射为镜面反射。实际中,由于表面不可能理想平整,因此不存在完全的镜面反射。
在Fluent中,两类反射的比例可根据边界条件设置的 diffuse fraction 进行修改。其取值范围为 0 - 1,0为完全镜面反射,1为完全漫反射,数字越大漫反射占比越大。
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折射满足折射定律:
Fluent中,考虑折射需要以下操作:
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设置材料的折射率属性 -
在透明介质区域的区域条件设置勾选 participates in radiation
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透明介质交界面的边界条件中设置为 semi-transparent 类型
![](https://www.topcfd.cn/wp-content/uploads/2024/07/afcea87292a6901.png)
将反射率定义为界面处反射的能量和入射能量的比例,可由菲涅尔方程(Fresnel equations)计算反射率。
热辐射为非极化辐射,其界面的反射率为:
2 吸收和散射
实际中,材料会吸收部分辐射能量,并不是完全透明;气体的悬浮颗粒物等杂质也会产生散射。吸收和散射导致辐射在介质中能量损失。吸收和散射的能量损失和辐射在介质中传播距离有关,其辐射强度和传播距离之间关系采用布格-朗伯定律(Bouguer–Lambert law)描述:
式中,α 和 σ 分别为材料的吸收系数和散射系数。
散射是各向异性的,在不同方向上散射的能量损失并不同,因此散射系数是随空间变化的函数。
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车灯散热等小尺度问题中,通常可忽略介质吸收和散射造成的能量损失,将材料的吸收系数和散射系数都设为 0。
3 辐射频率的影响
物体发射的热辐射在所有频段上均有能量分布,其能谱曲线为呈山峰状,中间频率的能量最大,两侧较少。
![](https://www.topcfd.cn/wp-content/uploads/2024/07/44bc4e3d25121a2.png)
能谱曲线的峰值波长和物体温度之间满足维恩位移定律(Wien's displacement law):
式中 b 为常数。
对于温度改变较大、需要考虑介质吸收和散射等情况,需要考虑不同辐射频率下的材料属性变化。对此,在蒙特卡洛、DO等非灰体热辐射模型中需要划分频带。
(完)
本篇文章来源于微信公众号: CFD之道
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