在辐射传热中建模入射辐射

在处理热模型中的辐射热载荷时，我们需要谨慎了解入射热辐射如何与表面相互作用。如果处理没有任何屈光元素的系统，那么地表到表面辐射传热模块中的界面为我们提供了建模功能，以处理分散和镜面反射，吸收和传输。让我们了解更多…

这是使用ComsolMultiphysics®软件建模辐射传热系列的第二篇博客文章。188金宝搏优惠读第1部分和第3部分在这里。

红外辐射在表面上

我们正在处理灰体辐射，所以我们从关系开始：\ alpha + \ rho_d + \ rho_s = 1并用两种属性来描述表面行为：

1. 发射率，\ Epsilon与完美的发射极相比，这是表面发射的辐射比我们关于建模发射率的博客文章
2. 扩散反射率，\ rho_d

表面吸收性等于发射率，\ alpha = \ epsilon因此，镜面反射率是\ rho_s = 1-（\ alpha + \ rho_d）。零的吸收性意味着所有辐射都反映了，并且\ alpha = 1意味着所有辐射都被吸收。尽管我们只能将这些限制用于真实材料，但有时，完美的吸收器或完美反射器（分散或镜面）的概念对于建模目的是有用的。

下图显示了事件准直辐射通量的情况：

• 被完全吸收
• 被某种吸收的可能性扩散
• 通过某种吸收的可能性进行镜面反映
• 体验吸收以及弥漫和镜面反射

一束准直辐射入射在表面上的，可吸收性（发射率）和弥漫性反射率组合。由于这些数字而省略了由于非零的表面温度，因此发射。

镜面反射的建模需要使用射线射击中的方法地表到表面辐射界面。使用此方法时，不透明的表面功能使我们能够进入弥散的反射率和表面发射率，并且表面发射率（吸收性）可以包括角度依赖性。其他方法，直接区域集成方法（仅用于较小的模型，没有任何障碍物来查看因素）和Hemicube方法，请勿接收镜面反射。因此，他们仅提供扩散表面功能，使我们能够输入发射率并计算从\ rho_d = 1- \ epsilon。对于我们将要查看的示例，我们将仅使用射线射击方法，因为它可以解决我们感兴趣的所有情况。

为了获得直觉，让我们考虑真空室的热模型，如下所示。该腔室有两个部分，较小的包含一个发出热辐射的热物体，红外（IR）光。一个狭窄的开口将使这种辐射的一点点照亮腔室的另一部分。我们将研究该事件辐射如何被放置在中心的物体吸收和反射。由于开口较长且狭窄，因此通过辐射几乎是准直的。

一个带有两个部分和一个小开口的真空室，可以几乎直接辐射热辐射。

腔室的壁具有设置为1的发射率（吸收性），并保持在0 K的温度下，因此充当从中心物体反射的辐射的完美吸收器。由于我们只对计算入射辐射与表面的相互作用感兴趣，并且不想对任何其他传热模式建模，例如固体内的导电传热，我们可以完全使用地表到表面辐射接口并省略固体中的传热来自我们模型的接口。

我们还将在0 K处固定目标部分的温度，以免它本身散发出任何辐射。尽管这有点人为，但它使我们仅专注于如何吸收从热部分发出的辐射从目标部分吸收并反映出来。

混合/散射表面的设置。将温度设置为0 K表示表面本身不会辐射。

下面的图显示了从底部表面反射的辐射，并在不同的设置组合下被腔室壁吸收。如我们所见，模式因吸收性和弥漫性反射率而有所不同。

腔室壁上的热辐射图。这说明了如何从目标部分反射热辐射。从左到右：完美的吸收，弥漫性反射，镜面反射和混合散射/镜面反射。

从弯曲表面进行镜面反射建模

让我们接下来修改模型，并将一个完美的镜面对象放在中心，如下图所示。入射辐射将被反射到周围室的壁上，但要准确地建模这种反射增加离散订单。默认线性离散地表到表面辐射界面将将圆形对象视为刻面，每个元素边界代表一个小的平面镜。这将导致仅在几个方向上的思考。随着元素顺序的增加，反射辐射的分布变得更加光滑。

使用线性，二次和立方离散化，反射辐射的图从小圆形物体远离一个小圆形物体。

建模半透明

最后，让我们修改我们的示例，并考虑一个半透明的薄且平坦的物体，这意味着它将吸收，反射和传输辐射。在折射不重要的限制下，物体很薄，可以通过半透明表面使用时功能射线射击方法。此功能还引入了表面透射率财产，\ tau，其中描述了入射辐射的哪一部分是透明传输的：\ alpha +\ rho_d +\ rho_s +\ tau = 1。额外的临界角度设置提供了一个阈值，在该阈值中不会发生传输，只有镜面反射。

这半透明表面功能将入射辐射分成反射和透射的分量。

在下图中，我们可以观察到如何将发射率和扩散反射率设置为零，并将传播率定为0.5，将导致入射辐射的50/50分散开。如果表面本身具有任何吸收，则将其视为边界热负荷。

半透明表面上的入射辐射分为反射和透射的分量。

重要的是要注意未考虑折射，因此无法对镜头效应进行建模。到模型射线通过介电材料反映和折射，可以使用射线光学模块的功能。

结束语

我们研究了不透明和半透明表面的辐射反射以及模拟反射边界的建模考虑。请记住，辐射的吸收和反射是在有限温度下从表面发射辐射的一致的，如本博客系列的建模辐射传热的第1部分所述：“”在辐射传热中建模发射率“。

到目前为止，我们尚未解决的问题正是软件如何计算表面之间的辐射交换。要了解该计算，有必要介绍下一篇文章的视图因素的概念。敬请关注！