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热辐射电磁波传播及Fluent设置

内容纲要

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:

  • 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)。

光线的反射和折射示意图(图源:维基百科)

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。

折射满足折射定律:

Fluent中,考虑折射需要以下操作:

  1. 设置材料的折射率属性
  2. 在透明介质区域的区域条件设置勾选 participates in radiation
  1. 透明介质交界面的边界条件中设置为 semi-transparent 类型

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。

对于S极化和P极化的辐射,两类辐射的反射率分别为:

热辐射为非极化辐射,其界面的反射率为:

在Fluent中,界面处反射和折射的根据材料的折射率自动计算,无需手动处理。

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。

不同尺度颗粒物的散射形式对比(图源:manchester.ac.uk)

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。

热辐射能谱曲线(图源:researchgate.net)

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。

蒙特卡洛模型的频带划分设置示意图

(完)


本篇文章来源于微信公众号: CFD之道

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