輻射傳熱的案例
計算輻射傳熱的 3 種方法
在模擬輻射傳熱時，我們需要考慮輻射是如何從一個表面發出并被其他表面吸收的，以及表面與表面之間交換了多少輻射。在輻射傳熱建模系列文章的前兩篇中，我們已經討論了發射、反射和透射建模，今天我們將通過介紹角系數的概念，以及計算表面與表面之間輻射傳熱的各種方法，來完成輻射傳熱建模基礎知識的學習。
快速了解角系數
考慮兩個薄且扁平的物體，如下圖所示。假設紅外輻射 (IR) 光可以在這些表面周圍的空間自由傳播。這在真空中是成立的，并且在空氣以及許多其他室溫氣體下也是合理的。對于上述假設的無衰減傳播，可能不合理的情況包括：
吸收紅外光的氣體，例如水蒸氣
高溫氣體
帶有細小分散顆粒的氣體
發生化學反應的氣體
在不同溫度下，兩個等溫物體之間會發生輻射傳熱。物體可以被認為放置在一個封閉的環境內，熱傳遞的大小取決于物體的大小和方向，并且只會發生在彼此相對的表面之間。
假設這兩個物體被固定在不同的溫度。除了這兩個物體之外，我們研究的模型中沒有其他任何內容，但我們還需要定義所有未模擬的周圍空間。我們需要定義一個統一的溫度，稱為環境溫度或背景溫度。雖然我們不會明確地模擬這個環境空間，但假設一個溫度恒定的封閉表面通常會很方便。
考慮第一個物體以及它發出的所有輻射。第一個物體發出的輻射熱通量一部分流向環境，一部分流向第二個物體。現在我們引入 角系數 的概念，它是從表面 1 () 到 表面2 ()的輻射比例，寫作 。假設輻射度均勻且沒有中間阻礙面，那么表面1 與表面2的角系數為：
當系統中有兩個以上的表面時，它們有可能相互面對面，因此我們將角系數寫為 ，其中 是模型中所有 個相互作用的表面的指數。在任意兩個表面之間，互易關系： 成立。
注意，如果一個表面是凹的，那么 。此外，到環境的熱通量是通過環境角系數： 定義的。
展開 ANSYS Workbench Mechanical 熱輻射傳熱分析方法操作
在workbench中，可以進行熱輻射分析計算的Mechanical模塊主要有穩態/瞬態耦合場、穩態/瞬態熱等，其工程圖如圖 1所示。各個模塊的輻射傳熱設置非常相近，接下來以穩態熱模塊演示一個簡單熱輻射案例。
圖 1 能夠進行熱輻射計算的Mechanical模塊
現有一幾何模型如圖 2所示，由一個圓臺筒和位于圓臺筒中心的小圓柱體組成。其中，小圓柱的側面是溫度為700℃的熱邊界；所有表面均可產生熱輻射，熱輻射率為0.7；環境溫度為4K。
圖 2 穩態熱模塊熱輻射計算演示案例幾何模型
1 設定傳熱邊界條件
首先設定輻射傳熱條件。在steady-state thermal項目樹下添加“radiation”分支。
在設置框中選定對應的輻射面。
在Correlation選項中可以選擇輻射至環境和面到面輻射，其中輻射至環境指的是所有面產生的輻射均輻射至環境，不會產生面和面之間的輻射；面到面輻射則考慮實體面之間的輻射，不在面和面之間的輻射依然默認為輻射至環境中，該選項需要計算所有輻射面上單元面的角系數，在工作目錄生成角系數文件。本案例考慮面到面之間的輻射，選擇為“surface to surface”。
設定輻射率，此處設定為0.7。設定環境溫度，此處設定為-269.15℃。默認輻射空間序號為1，如果在計算過程中添加了多個“radiation”分支，不同分支之間輻射空間序號相同部分會放到一個空間內進行計算，序號不同的部分則不會有輻射關聯。此處輻射空間序號的設置并沒有什么限制，同一個輻射空間的保證為同一個序號，不同輻射空間的保證為不同序號即可。
圖 3 穩態熱模塊輻射傳熱分支設置
設置完輻射傳熱邊界條件后，再設定其他熱邊界條件。
展開 模擬不同類型的表面輻射傳熱
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！
展開 ANSYS輻射仿真模擬
引言：
輻射傳熱過程是是借助于電磁波的能量傳播過程，是由物體內部微觀粒子在運動狀態改變時所激發出來的。由于輻射傳熱引起的熱流與物體表面熱力學溫度的4次方成正比，因此輻射傳熱分析是高度非線性的。借助于溫度場數值模擬仿真技術，可以了解研究熱輻射規律，對于爐內傳熱的合理設計十分重要，對于高溫爐操作工的勞動保護也有積極意義。
本文基于大型有限元軟件ANSYS對輻射傳熱過程溫度場模擬仿真，隨著ANSYS版本不斷更新，核心技術不斷完善，其穩態瞬態熱分析、輻射熱分析、相變分析、熱應力分析和流體熱分析功能不斷強大，更能顯示其計算精度與計算速度的良好兼顧性。
1 、輻射傳熱過程溫度場模擬仿真
1.1研究對象
本文研究的同軸圓柱體尺寸如圖所示：
圖1 研究模型
1.2基本假設
在復雜的輻射傳熱過程實際條件下，抓住主要方面模擬實驗情況，做一些合理化的假設，但同時又能保證其結果的準確性。本文做如下假設：
1）由于兩個圓柱體足夠長，將問題簡化為平面問題；
2）考慮到整個輻射傳熱過程為封閉系統，不需設置空間節點。
1.3初始條件
假設圓柱體是瞬時傳熱的。圓柱體為已知初始均勻溫度場，即:
T(x,y,z,t=0)=T
T為圓柱體溫度，即100°C.
1.4 邊界條件
傳熱是在圓柱體內徑行的的，所以把外圓柱體當做邊界條件。
外圓柱體的初始溫度:100°C
輻射率:1
兩圓柱體的輻射傳熱用Newton冷卻定律描述:
式中:α為對流換熱系數，α=65 W/m2·℃;Tf為液態金屬的特征溫度;Tw為砂型邊界溫度。
輻射傳熱后，兩圓柱體之間的導熱主要以不穩定導熱方式進行。
展開 
DO模型模擬頭燈傳熱輻射過程 ￥9.9
DO模型模擬頭燈傳熱輻射過程
【3月8-11日 北京】結構傳熱與熱-結構耦合計算高級培訓
22個實例模型課程中人手一機操作指導
案例1：熱傳導桿
案例2：機載電子元件散熱分析
案例3：線圈電熱輻射傳熱分析
案例4：機械件的熱接觸分析
案例5：多材料裝配體的穩態熱計算
案例6：電烙鐵的瞬態熱計算
案例7：鋁飛輪鑄件凝固分析
案例8：腔體內的自然對流+輻射傳熱
案例9：ANSYS環境的多板之間的輻射傳熱
案例10：結構的蠕變疲勞計算
案例11：晶體管非線性熱分析
案例12：激光照射案例
案例13：平板對焊接及殘余應力分析
案例14：結構滑動摩擦生熱
案例15：干燥器自然對流的熱均勻性計算
案例16：換熱器的流-熱耦合傳熱計算
案例17：管道的穩態熱應力計算
案例18.管道的瞬態熱應力計算
案例19：燃燒室的火焰筒流-熱-固耦合計算
案例20.結構的熱-機耦合疲勞計算
案例21：Fluent環境的固體壁面之間的輻射傳熱
案例22：T型焊接件焊縫表面裂紋的熱-結構耦合應力強度因子計算
課程差異化
1、專注CAE仿真計算，13年大量的工程案例積累
2、7000多學員反饋、提煉的精選內容與實例，形成的版權課程體系
3、有自己的超算中心，有豐富的項目案例庫
主講專家
寧老師，首席專家，畢業于西安交通大學、力學博士，多年上市機械企業結構負責人，17年的軟件工程應用經驗；長期從事有限元領域國家重大項目研究，發表論文20余篇，獲得專利11項，開發有限元軟件4項，具有資深的技術底蘊和專業背景；擅長靜力學，模態分析，隨機振動/譜分析，瞬態動力學時程分析，轉子動力學分分析、疲勞分析，線性/非線性后屈曲分析，斷裂力學分析，壓電分析，熱分析，顯式動力學分析，流體力學分析，多場耦合分析，ANSYS二次開發等仿真分析。
展開 CFD學習：關于熱通量方程
系統中的熱通量取決于溫度梯度和傳熱系數。
根據介質的不同，傳熱機制分為傳導、對流或輻射
對能源的需求鼓勵我們探索可再生能源的機會。在非常規能源中，太陽能因其豐富而至關重要。太陽能用于公用事業發電和供暖。集中式太陽能發電廠滿足當今的能源需求。在聚光太陽能發電廠，尤其是太陽能接收器的設計中，熱通量和溫度是兩個主要的設計參數。了解熱通量有助于確定太陽能接收器的效率。
在大多數熱力學應用中，熱通量是一個重要的基本量，因為它會影響效率和性能。理論上，熱通量方程用于計算熱通量。然而，在實踐中，使用了一系列的熱量計、量規和輻射計。
讓我們探索熱通量及其方程。
熱流和傳熱機制
在給定系統中，只有當它們之間存在溫差時，熱量才會從一個點流向另一個點。熱量從溫暖的地方流向寒冷的地方。熱流只有在不同溫度點之間存在熱量傳播的介質時才會發生。
熱流或熱傳遞現象是復雜和多維的。根據存在溫度梯度的介質或介質組，傳熱機制可分為：
傳導 -在傳導過程中，熱流通過固體材料發生。
對流 -當熱量流過氣體和液體時，傳熱機制稱為對流。
輻射——電磁波攜帶熱能時，形成熱傳遞的輻射機制。
在上述傳熱機制中，熱量通過介質從一點傳遞到另一點。熱能傳遞的速率給出了傳導、對流和輻射中熱通量的概念。
什么是熱通量？
熱通量是單位時間內通過單位面積的表面傳遞的熱能的量。熱通量可以是從所考慮的表面傳遞或消散的熱量。熱通量也稱為熱通量、熱流密度、熱通量密度或熱流率強度。
展開 FEMAG藍寶石晶體生長數值模擬方案
FEMAG軟件的算法支持高級的傳熱模式。例如支持對藍寶石晶體生長很關鍵的輻射傳熱，使得FEMAG可以修正傳統的傳熱模型，提高模擬的精度。
下面給出的是用準穩態方法模擬直拉法生長40mm藍寶石的案例，材料參數設置如圖3.4所示，模擬考慮了輻射傳熱。圖3.5分別是爐體溫度場分布，以及對應的生長區域內熔體和晶體的溫度場以及熔體的流場分布。圖3.6是速度矢量分量圖，可以清楚的看到熔體和晶體在提拉生長的整個過程中運動情況。
分別在熔體或者晶體中考慮輻射傳熱邊界，分析熱場與流場并進行對比，可以得到不同的熱場與流場結果。考慮了輻射傳熱邊界，熱場、流場的模擬結果更精確。
3.1.3 先進的網格劃分策略
FEMAG/CZ支持對晶體生長爐全局的非結構網格自動生成，同時還針對了磁場作用下磁流體邊界層效應，復雜流動邊界層效應等情況，FEMAG特別提供了對BLM邊界層網格自動劃分的支持，能夠很好的適應復雜的結構和邊界物理流動層。
3.1.3 先進的網格劃分策略
FEMAG/CZ支持對晶體生長爐全局的非結構網格自動生成，同時還針對了磁場作用下磁流體邊界層效應，復雜流動邊界層效應等情況，FEMAG特別提供了對BLM邊界層網格自動劃分的支持，能夠很好的適應復雜的結構和邊界物理流動層。
圖3.10、圖3.11分別是在流場與熱場模擬中，普通網格與BLM網格結果的差異，圖3.10顯示了溫度場分布，圖中綠線標定了凝固界面，可以看到在引入了BLM網格之后，凝固界面由平直轉為彎曲，與實際情況更接近。圖3.11顯示了相應藍寶石案例的流場圖，引入BLM網格后，模擬結果在邊界處有明顯的區別。
展開 水壺的傳熱分析（熱傳導+熱對流+熱輻射） ￥5
分享一個通過ABAQUS做的水壺的傳熱分析，包含熱傳遞的三種方式：熱傳導+熱對流+熱輻射。
方法教程來自于外網，附件是自己根據教程練習時建的cae模型，供參考。
熱傳導是熱能從高溫向低溫部分轉移的過程；熱對流是熱量通過流動介質傳遞的過程；熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象。
【材料】鋼/陶瓷
【網格】DC3D10
【接觸】
茶壺和蓋子之間的傳導
2.對流
3.熱輻射
【設置絕對零度+Stefan-Boltzmann常數】
【邊界條件】
【預定義溫度場】
【后處理】
關于Fluent熱邊界條件清單
1、壁面熱邊界，是基于Fluent計算傳熱問題的關鍵，因此大家有必須把各類邊界條件研究清楚。
-熱通量（熱流密度）；
-溫度
-對流
-輻射
-混合
-基于系統耦合器
-基于映射界面
2、Fluent壁面熱邊界條件的理論基礎就是1維傳熱學
3、熱流密度邊界：
上述適用于壁面臨近的區域為流體區域，當壁面臨界的區域為固體區域時，則使用下式計算：
4、溫度邊界：
壁面一側為流體區域時
壁面一側為固體區域時
5、對流邊界：
對流換熱邊界只針對流體，基于傳遞熱通量相等原理，得到了上式，默認在壁面位置沒有溫降低也沒有吸熱，如果用戶設置了壁面厚度，則可以考慮熱阻，如果用戶設置生熱率則可以考慮壁面發熱。
6、熱輻射邊界：
熱輻射邊界只針對流體，基于傳遞熱通量相等原理，得到了上式，在Fluent流體區域一側熱量基于對流換熱計算，在壁面外側熱量基于輻射傳熱定律計算。默認在壁面位置沒有溫降低也沒有吸熱，如果用戶設置了壁面厚度，則可以考慮熱阻，如果用戶設置生熱率則可以考慮壁面發熱。
7、混合傳熱邊界：
混合傳熱邊界只針對流體，基于傳遞熱通量相等原理，得到了上式，在Fluent流體區域一側熱量基于對流換熱計算，在壁面外側熱量基于輻射傳熱定律和對流換熱計算計算。默認在壁面位置沒有溫降低也沒有吸熱，如果用戶設置了壁面厚度，則可以考慮熱阻，如果用戶設置生熱率則可以考慮壁面發熱。
展開 熱仿真介紹、學習步驟講解及散熱仿真軟件Icepack和Flotherm的對比分析（含176講零基礎視頻教程）
熱傳導仿真：?主要研究物體內部的熱傳導過程，?通過建立連續介質模型和傳熱方程，?預測材料的溫度分布和傳熱速率。?這種仿真常用于電子設備的散熱設計、?材料熱性能評估和熱交換設備的優化。?
流體流動仿真：?主要研究液體或氣體在不同條件下的熱行為，?通過建立流場模型和流體力學方程，?模擬流體流動和傳熱過程，?預測溫度分布、?熱傳導及對周圍環境的影響。?這種仿真常用于汽車工程中的冷卻系統設計、?空氣流動優化和風洞實驗。?
熱輻射仿真：?主要研究物體通過輻射傳熱的過程，?通過建立輻射傳熱模型和輻射傳熱方程，?模擬物體的輻射行為和輻射熱傳遞。?這種仿真常用于建筑設計中的太陽能熱利用、?能源系統的設計和光學器件研發。?
電子設備中的熱仿真：?在電子設備中的應用非常廣泛，?通過熱仿真技術預測和評估電子設備的熱性能，?優化散熱解決方案，?確保設備在正常工作溫度范圍內運行。?熱仿真還可用于電路板設計、?散熱器設計和電子元件的優化。
熱仿真學習方法步驟
軟件操作。對于初學者來說，熟悉軟件的界面和操作是非常重要的。建立準確的模型和網格劃分是保證仿真結果準確性的關鍵，通過學習軟件的基本操作和建模技巧，熱仿真工程師能夠更快地上手并進行基本的仿真計算。
理論方法。掌握基礎理論，有足夠的理論知識儲備，例如電子產品熱失效原因、電子產品熱設計基本理論，可以幫助我們建立宏觀認知，合理選擇物理模型，并進行合理的網格劃分，能夠有效地減小計算誤差，并提高仿真結果的可信度。
思維方式。在散熱問題上，更多的是需要我們去鉆研和分析。了解設備的工作原理以及溫度傳導、散熱等相關物理原理，有助于我們更好地解決散熱問題。除了學習基礎的理論、軟件操作，更需要形成一定的熱設計研發體系，讓熱設計工程師持續進步。
工程實例。散熱仿真還包括一系列細節的考慮，這就要結合實際的工程案例。
展開 
【5月30日-6月02日 北京】Fluent傳熱計算與工程應用方法專題培訓
一、給方法解決以下關鍵問題
1、仿真分析結果主要在于經驗積累，12年以上工程應用專家帶你答疑解惑
2、有效掌握Fluent傳熱計算與工程應用方法+實操模型訓練
3、所有實例緊緊圍Fluent傳熱計算與工程應用方法為核心目標，進行實操模擬訓練
二、18個實例模型貼近工程實戰操作
實例01：混合管內對流換熱計算
實例02：多材料裝配體的熱傳導計算
實例03：電烙鐵的瞬態熱計算
實例04：固體壁面之間的輻射傳熱
實例05：真空輻射計算
實例06：半透明介質中的輻射計算
實例07：建筑環境太陽輻射計算
實例08：腔體內的自然對流+輻射傳熱
實例09：電子芯片散熱計算
實例10：管式換熱器計算
實例11：多孔介質傳熱計算
實例12：干燥器自然對流的熱均勻性計算
實例13：換熱器的流-熱耦合傳熱計算
實例14：水沸騰計算
實例15：蒸發冷卻計算
實例16：噴霧蒸發計算
實例17：管內冷凝計算
實例18：化學反應熱計算
三、本質問題與差異化
1、工程案例積累：專注CAE仿真計算，有大量的工程案例
2、關注計算結果：把仿真分析結果運用到產品中是核心理念
3、師資與專屬權：7000+多學員反饋、提煉的精選內容與實例，形成版權課程體系
4、問題響應參與：自主師資與合伙人模式，可直接對接客戶問題，即時做出響應
5、效果保障措施：所有學員提供高配筆記本、模型、電子資料、操作軟件
四、專家團隊
團隊12年專注CAE技術工程應用方法，為客戶提供系統的產品質量提升和優化的技術方案，具備上百例的工程問題解決經驗，熟悉CAE技術應用過程中的難點與關鍵點，團隊提供有價值的CAE技術服務。
展開 ICEPAK 4.3 中文練習教程
ICEPAK軟件的應用
輻射模型的仿真
在自然對流和空間熱分析中，輻射傳熱占據了很大的比重。ICEPAK軟件提供了多種輻射模型來進行高精度的輻射換熱模擬。廣泛應用在地面及外太空系統的輻射分析中。由于實際物理問題幾何千差萬別，角系數的計算非常復雜。要想保證計算的精度，單一的角系數計算模型很難適用于各種情況。在ICEPAK軟件中提供了多種輻射模型，可以滿足任何工況。
半立方體模型（Hemicube）：Hemicube模型是經典的角系數計算模型，比較適合幾何比較復雜的問題，
求解速度快。
自適應模型（Adaptive）：Adaptive模型會根據兩個輻射表面的位置自動選擇最合適的角系數計算方法：
1．Monte Carlo積分法 —— 兩個表面之間的輻射被其它物體部分遮擋；
2．幾何分析法 —— 兩個表面之間的輻射完全無遮擋，且兩個表面離得很近；
3．Gauss求積法 —— 兩個表面之間的輻射完全無遮擋，但兩個表面離得較遠。
目前商業熱分析軟件中只有ICEPAK擁有如此豐富的輻射模型，可以在各種計算工況中都可以獲得很高的求解精度。其它的商業軟件大多只有其中的某一種角系數計算方法，應用面很窄，很難保證計算精度。
展開 Fluent輻射模擬中一個關于空氣參數的設定問題
在做一個輻射傳熱問題，空氣參數用伯斯涅興課假設，但是空氣吸收系數不知道如何設定，請高手執教
煉焦爐常見問題匯總
把燃燒室分成許多“格”，可以增加爐體的結構強度，并且因為增加了輻射傳熱的面積，而有利于輻射傳熱。把燃燒室分成許多立火道，可迫使燃燒后熱氣流沿燃燒室長度方向均勻分布，以達到對炭化室均勻加熱的目的；
13.為什么用焦爐煤氣加熱時，α值一定要控制在1.2左右為好？ α值在1.2左右，可以使煤氣完全燃燒，并可以防止高溫事故。如果α值過小，空氣量不足，使燃燒不完全。α值過大，過量的空氣會使爐溫迅速升高，而產生高溫事故，損害爐體。所以一般α值控制在1.2~1.25左右為好。
14.小煙道溫度為什么不能低于250℃？ 因為在煙囪高度一定，外界大氣的溫度不變的情況下，廢氣溫度越高，浮力就越大，為了保證煙道的浮力，規定小煙道溫度不低于250℃。
15. 壓力制度制定的原則 炭化室內煤氣壓力應大于相臨燃燒室內的壓力，并高于外界大氣壓力；炭化室內煤氣壓力在整個結焦期內，任何情況下均應保持正壓；在同一結焦時間內，沿加熱系統高度方向的壓力分布應當均勻穩定。
16. 影響直行溫度的因素 與裝煤制度、出焦操作、爐體維護、加熱煤氣組成和性質、周轉時間、荒煤氣串漏等有關系。
17. 熱煤氣、空氣與廢氣交換時必須注意哪些事項？ 交換時必須先關閉煤氣，防止加熱系統中有剩余煤氣，以免發生爆炸事故； 關閉煤氣后，應過一短暫的間隔時間后，再進行空氣和廢氣的交換，這樣，可以 使殘余煤氣完全燒盡。 空氣和廢氣交換完后，也應過短暫的時間后再打開煤氣，這樣可以使燃燒室內有 足夠的空氣，煤氣進去后能立即燃燒。
18. 什么情況下要測量冷卻溫度的下降值？ 換向間隔改變、結焦時間改變1h以上、加熱制度有較大的變更、在正常的情況下半年校正一次、換用加熱煤氣在一個月以上時。
19.常見的一些溫度規定 所有火道任一點溫度在交換 20s后，不得超過1450℃,不低于1100℃。
展開 