我应该使用哪种辐射界面进行传热模型？

与通过传导和对流进行传热的机制相比，辐射传热具有其自身的独特特征。例如，辐射不需要任何培养基在巨大的距离上运输热量，这在非常高的温度下是主要的效果。同样，辐射取决于方向，波长和温度。有没有想过您应该使用ComsolMultiphysics®软件中哪个接口来最好地说明模型中的辐射？继续阅读…

热辐射的特性

在一个以前的博客文章，我们讨论辐射通常不可忽略的。在这里，我们提供了综合的指南，以建模辐射，看看使辐射如此特别的原因，并讨论不同用例的不同接口。

热辐射的来源至关重要，温度高于绝对零。对于热传输，尤其是红外范围内的辐射，但在可见光范围内也起着重要作用。

我们最著名的热辐射来源是太阳。也就是说，我们发现了热辐射的第一个特殊性 - 它可以在很大的距离上行驶。辐射不需要任何物体从一个物体转移到另一个对象，但是与物质的相互作用将电磁波变成热量。从太阳到地球的几乎不受阻碍的方式，当辐射进入地球大气中时，动作就会发生，那里的分子数量大量吸收并散布传入的​​辐射，取决于波长\ lambda（m）。其余的透射零件撞击了地球的表面，并根据表面特性被吸收和反射。

在此示例中，我们注意到下图中的三种不同类型的物质。

左：辐射通过透明介质未阻碍。中心：在参与培养基中部分吸收，分散和发射辐射。右：辐射反射在不透明介质的完全反射表面上。

透明的

允许辐射通过它的物质被称为透明的。完全透明的物质仅是真空的，但对于低到中等温度或较小距离的气体也是一个很好的假设。当我们处理透明的介质时，与辐射没有相互作用，因此也没有热传输。

不透明

通常，材料被称为不透明如果它们在很短的距离内完全吸收入射辐射。因此，它不仅取决于仅材料特性，还取决于物体的厚度。

对于许多固体，完全吸收的距离仅为几个Ångström（\ aa）；例如，对于金属。在这种情况下，该术语表面辐射转移使用并表面特性起主要作用（抛光与碳化金属）。不透明的表面可以通过其发射率描述\ varepsilon及其散射和镜面反射率\ rho_ \ textrm {d}和\ rho_ \ textrm {s}。

参与

参与材料通过（部分）吸收和散射与辐射相互作用。通常，参与介质还会发出辐射，如果存在颗粒或气泡，这尤其如此。对于给定的波长，介质的发射与吸收一样。颗粒或气泡的存在增强了这种相互作用，从而增强了介质中的发射。吸收强度的量与辐射强度成正比，并且发射强度与中等温度下的黑体强度成正比。辐射的散射仅改变辐射方向。它不会将能量变成热量。

用于描述参与介质特性的参数是吸收\ kappa（1/m）和散射系数\ sigma_ \ textrm {s}（1/m）以及折射率n_ \ mathrm {r}。如果辐射可以通过介质（即仅部分吸收），则称为半透明。对于薄的半透明介质，comsol Multiphysics提供了一种将它们建模为边界条件的选项，半透明表面。相比不透明的表面，通过附加参数描述它们 - 透射率\ tau = 1- \ varepsilon- \ rho_ \ textrm {d} - \ rho_ \ textrm {s}。

所有这些特性都是波长依赖性的，例如玻璃的情况，它与可见光和不透明的红外辐射透明。这些特征是导致温室效应。另外，光学厚度\ tau沿辐射方向的材料的作用也起作用，无论它是透明，部分透明还是不透明的。它被定义为在光路上的吸收系数上的积分s：

您可以在大气中观察到这一点。在早晨和晚上，当阳光低时，通向您的大气中的光线会更长。太阳光谱的蓝色部分在很大程度上散布着，因此您主要看到红色部分。

辐射界面以及在哪里找到它们

我们可以推断出来描述模型中的热辐射，我们需要很好地了解条件和材料。在这篇博客文章的背景下，当我们指辐射时，我们指的是在可见光和红外区域中的大规模效应（几何长度比波长大得多）。

现在，让我们来看看哪些可用接口以及每个界面适合特定的建模任务。

由于辐射而导致的加热的可用接口。

在下面传播热量>辐射上面显示的分支，我们发现固体中的传热用于建模辐射传输的界面和接口，以及仅对辐射传输建模的接口，而无需考虑温度变化。在这种情况下，未计算温度，而是在用户界面中规定的。

在下面光学>射线光学分支，我们发现射线加热界面，伴侣固体中的传热与几何光学元件界面，使用射线示踪技术对光束路径进行建模。请注意，对于对温度分布进行建模，界面始终相同 - 仅是方法，因此计算辐射传输的界面有所不同。

我们如何考虑辐射的运输在很大程度上取决于材料特性，系统的大小，温度和辐射源的性质。有一些标准可以帮助您选择正确的接口。然而，每个系统都有自己的特点，应仔细检查。

不同接口的用例

我们想查看常见的应用程序并讨论接口的适用性。一个确定哪种界面的标准是辐射本身的特征 - 辐射强度在哪里最大？这与辐射源的温度有关。对于黑体，辐射强度最大的波长\ lambda_ \ textrm {peak}（m）可以通过维也纳的流离失所法来计算：

和b \大约2898 \ \ mu m \ cdot k是维也纳的位移常数。

例如，太阳的最大值在可见范围内，而室温下物体的峰值在红外范围内。第二个方面是与辐射相互作用的材料特性，第三个方面分别是系统的大小或光学厚度。

电子组件的热管理

许多电子冷却应用遵循相同的原理。电子组件在操作时会加热。散热器通常用于冷却，吸收热量并将其释放到周围的流体中。然后，流体通过强制和/或自由对流将热量运输而来，并且与流体中辐射的相互作用可以忽略不计。

固体物体通常是不透明的辐射，它们从表面散发到周围的辐射。为了提高其通过辐射释放热量的性能，这些表面通常被涂覆以最大化发射率。

对于该领域的大多数应用程序，地表到表面辐射当将组件放置在所有固体壁通过辐射交换热量的外壳中时，界面是考虑辐射传热的最佳选择。如果组件暴露于开放环境，并且它们的表面不会彼此之间交换辐射（凸形），则可以使用边界条件对辐射冷却进行建模地表到两体辐射在其中之一传播热量接口，无需求解辐射方程。

辐射热通量是否完全对特定应用很重要的问题，或者是否可以忽略它取决于：

• 温度
• 材料特性
• 对流和导电冷却热通量

始终建议测试辐射是否起作用。这也始终取决于所需的准确性。下图显示了考虑和不考虑辐射的结果的差异，这在此特定示例中导致温度差为30K。

教程模型的散热器带有地表到表面辐射，显示辐射时的温度差与忽略时的温度差。散热器的发射率很高，这会导致通道壁的大量辐射交换。由于光学厚度较小，空气作为冷却液是透明的。

太阳照射

太阳辐照在可见范围内具有最大值，并且太阳辐射与环境空气的相互作用可以忽略。当太阳射线撞到不透明的表面时，辐射被吸收并导致其加热。我们从我们自己的经验中知道这种现象：面对太阳的一面比阴影中的一侧温暖。

这地表到表面辐射因此，界面适用于大多数与太阳作为辐射源的应用。说明性的教程模型是太阳对放置在阳伞型号下的两个冷却器的辐射效果来自应用程序库。

在某些应用中，重点是相对于梁路径优化系统，例如太阳盘接收器设计师应用程序，例如，将最大化局部热通量以加热蒸汽以产生发电。在这种情况下 - 当光路很关键时 -射线光学接口是正确的选择。

准光束

如果穿透均匀培养基的入射辐射可以描述为准束，如果介质的散射和（热）发射可以忽略不计吸收介质中的辐射光束界面是解决这种辐射问题的准确且非常有效的方法。它解决了啤酒 - 拉姆伯特法，通常用于光谱法。

其他应用领域包括通过大气来衰减太阳辐射以及CT扫描中X射线衰减的表征。

关于建模激光材料相互作用的不同方法的一个很好的讨论是在以前的博客文章。

燃烧过程

来自气体的辐射在很大程度上取决于气体的组成。根据成分，气体混合物仅在某些波长范围内吸收，并且与其他波长透明。

在工业炉和燃烧过程中，气体辐射以及对流是主要的热传输机构。原因是气体（或蒸气）包含与辐射相互作用的分子（例如CO₂或h₂o）。在许多情况下，介质还包含颗粒，这是散射的主要来源。在这些情况下，必须考虑吸收，排放和散射，参与媒体的辐射接口是正确的选择。

工业用途锅炉中规定温度分布的入射辐射。左：没有散射，右：与\ sigma_ \ textrm {s} = 0.9 \ 1/m。

玻璃

玻璃作为一种材料应满足与辐射相互作用的各种要求。例如，窗玻璃应允许可见范围内的光线通过，但要与热辐射隔开。有各种涂料用于不同的目的。

如果您查看玻璃申请区域，您通常可以将玻璃描述为半透明表面，从而将玻璃描述为地表到表面辐射使用接口。例如，温室效应可以建模如下面的框配置所示。

建模温室效应的设置。一个装有空气的盒子，上面盖上玻璃板或完全透明的板。内壁是黑色的（\ varepsilon = 1）并且外墙正在反射（\ varepsilon = 0.1）。

对于用玻璃板覆盖的盒子，玻璃板对于较短波长是透明的（\ lambda <2.5 \ mu m，可见光）和不透明的波长（\ lambda> 2.5 \ mu m，红外线），可以观察到温室效应。黑色的壁吸收了所有入射辐射，加热，根据其温度在较大的波长中发射辐射，玻璃盖不透明，并将该辐射反射回吸收的壁。这进一步增加了吸收壁温度的升高。

一天中的温度演变在一天内说明了温室效应。3D图显示了带有玻璃板（左列）和完全透明板（右列）的盒子的入射辐射（顶行）和温度（底行）。盒子中带有玻璃板的温度升高明显更大，显示了温室效应。

相比之下，玻璃内部的辐射传输对其生产起着重要作用，尤其是在冷却过程中，因为在从熔融玻璃到实心玻璃的相过渡过程中，冷却很重要，因此不会发生机械应力。因此，在这种情况下，吸收和排放很重要，并且参与媒体的辐射接口是正确的选择。

镜片

在特殊情况下，由于它们用于光学系统，并且通常被高功率激光束穿透，因此由于温度变化，折射率可能会发生显着变化。此外，温度变化导致结构变形，这再次导致光束方向的变化。

对于这些情况，参与媒体的辐射界面不合适，射线加热必须使用接口。该界面特别可以解决光学系统中的现象，例如衍射，折射以及通过涂层对象的进展。但是，这是要求辐射源以其功率定义的，并且辐射不仅是基于温度的。

不同材料的化合物

我们如何处理不同材料的化合物，例如双层玻璃窗，其中不同的半透明介质具有波长依赖性属性和涂料？在这种情况下，我们可以使用射线加热接口计算结构的平均值并在接口中使用它们传播热量>辐射分支。

结论

我们已经讨论了通过辐射进行热传递进行建模时需要考虑的所有方面。希望这篇博客文章可以帮助您找到适合您应用程序的界面。如果您对基础理论更感兴趣，请查看以下博客文章：

• 4种参与媒体辐射的方法
• 了解古典灰色身体辐射理论
• 对高功率激光系统的热诱导局灶性移动进行建模

参考

1. M.F.谦虚的，辐射传热，学术出版社，2003年。