在模擬熱模型中的輻射熱載荷時，我們需要仔細考慮入射的熱輻射如何與表面相互作用。如果要模擬一個沒有任何折射的系統，我們可以使用 COMSOL 軟件傳熱模塊中的表面對表面輻射接口，該接口具有模擬漫反射和鏡面反射、吸收和透射的能力。本文，我們將了解更多輻射傳熱模擬的詳細內容。

模擬入射到表面的紅外輻射

我們模擬的是灰體輻射，所以存在關系式 ，并根據下面兩個屬性描述表面行為：

1. 發射率 ，表面輻射與理想輻射體的比率。在關于模擬發射率的文章中介紹過

2. ，漫反射率

表面吸收率等于發射率，，因此鏡面反射率為 。吸收率為零意味著所有輻射都被反射了， 意味著所有的輻射都被吸收了。雖然在現實情況下，我們的材料只能無限接近完全吸收的假定，但有時全吸收或全反射（漫反射或鏡面反射）的概念在建模時很有用。

下圖顯示了準直入射輻射通量的幾種情況：

• 被完美吸收

• 被漫反射，有可能被吸收

• 被鏡面反射，有可能被吸收

• 被吸收、漫反射和鏡面反射

入射在表面上的準直輻射束的吸收率（發射率）和漫反射率的各種組合。圖中省略了由于表面溫度非零引起的發射。

需要在表面對表面輻射接口中使用射線發射 方法來模擬鏡面反射。使用這種方法時，不透明表面 特征允許輸入漫反射率和表面發射率，并且表面發射率（吸收率）可以隨角度變化。其他方法，直接面積分 方法（僅用于沒有任何視線阻礙因素的較小模型）和Hemicube方法，不能模擬鏡面反射。因此使用這些方法時，漫反射表面 特征僅允許我們輸入發射率并計算漫反射率 。對于本文介紹的示例，我們將僅使用射線發射 方法，因為它可以模擬我們想要研究的所有情況。

為了直觀起見，我們以下圖所示的真空腔室熱模型為例來說明。這個腔室由兩個部分組成，較小的部分包含一個發出熱輻射的熱物體，即紅外 (IR) 光。兩個腔室之間有一個狹窄的開口，可以通過一小部分輻射，來照射腔室的其他部分。我們將研究這個入射輻射是如何被放置在中心的物體吸收和反射的。由于開口又長又窄，通過的輻射幾乎是準直的。

一個由兩個部分組成的真空腔室，中間有一個允許一些幾乎準直的熱輻射通過的小開口。

將腔室壁的發射率（吸收率）設置為 1，并保持溫度固定在 0 K ，這樣就能完全吸收從中心物體反射過來的輻射。由于我們只想計算入射輻射與表面的相互作用，不想模擬任何其他傳熱模式，例如固體內的傳導傳熱，我們可以只使用表面對表面輻射接口，并從我們的模型中刪除固體傳熱接口。

我們還將目標物體的溫度固定在 0 K，這樣它就不會發出任何輻射。雖然這是一種理想情況，但這可以讓我們只關注從高溫腔室發射出來的輻射如何被目標物體吸收和反射。

混合鏡面/漫反射表面的設置。將溫度設置為 0 K 意味著表面本身不會輻射。

下圖顯示了在不同設置組合下從底面反射并被腔壁吸收的輻射。正如我們所見，仿真結果因吸收率和漫反射率而不同。

腔室壁上的熱輻射圖。這說明了熱輻射是如何從目標物體反射出來的。從左到右：完美吸收、漫反射、鏡面反射和混合漫/鏡面反射。

模擬曲面的鏡面反射

接下來，修改我們的模型并在中心放置一個完美鏡面反射的圓形物體，如下圖所示。入射輻射將被反射到周圍腔室的壁上，但要準確地模擬這種反射，需要增加離散化階次。表面對表面輻射 接口的默認線性離散化會將圓形物體視為多面體，每個單元邊界代表一個小平面鏡。這樣會場僅在幾個方向上產生反射。隨著單元階次的增加，反射輻射的分布變得更加平滑。

使用線性、二次和三次離散化繪制遠離小圓形物體的反射輻射圖。

模擬半透明物體

最后，將我們的示例模型修改為一個半透明的薄而扁平的物體，這意味著它會吸收、反射和透射輻射。在折射可以忽略且物體很薄的情況下，我們可以使用 射線發射 方法，通過半透明表面 特征來求解。此特征還引入了表面透射率 屬性 ，它描述了入射輻射的鏡面透射率：。附加的 臨界角 設置提供了一個閾值，低于該閾值不會發生透射，只會發生鏡面反射。

半透明表面特征將入射輻射分成反射和透射分量。

由下圖我們可以觀察到，將發射率和漫反射率設置為 0 、透射率設置為 0.5 的鏡面反射界面如何導致入射的輻射以 50/50 的比例分離。如果界面本身有任何吸收，將被視為邊界熱負荷。

半透明表面上的入射輻射被分成反射和透射分量。

這里很重要的一點是，需要注意我們不考慮折射，因此不能模擬透鏡效應。如果要模擬通過電介質材料的反射和折射射線，我們可以使用 COMSOL 軟件中的射線光學模塊的功能。

結束語

今天這篇文章我們研究了不透明和半透明表面的輻射反射，以及模擬彎曲反射邊界的建模注意事項。請記住，在有限溫度下，輻射的吸收和反射與表面的輻射發射同時發生，您可以查閱本系列文章中關于輻射傳熱建模的第 1 部分內容：“什么是表面發射率？在輻射傳熱中有哪些典型案例”。

到目前為止，我們還沒有討論如何使用 COMSOL 軟件計算表面與表面之間的輻射傳熱。如果您想進一步理解這種計算，敬請關注本系列的最后一篇文章！