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1、介质辐射传热（介质辐射传热（9）热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering封闭腔体内的热辐射封闭腔体内的热辐射(,)wwIr s(,)Ir s(,)Sr s回顾回顾辐射传热系统辐射传热系统-辐射传递方程辐射传递方程 辐射热通量辐射热通量热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering积分形式辐射传递方程：积分形式辐射传递方程：辐射源项：辐射源项：边界条件：边界条件：3辐射传热系统辐射传热系统-辐射传递方程辐射传递方程 辐射热通量辐射热通量000(,)(,)exp(,)expssswwIIdsSdsdsr sr s
2、r s 0 (,)()()(,)(,)wwwbwwwIIId n sr srrr s sr sn s4()(,)(1()()(,)(,)4biiiSIIdrr srrr ss s回顾回顾热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering4辐射传热系统辐射传热系统-辐射传递方程辐射传递方程 辐射热通量辐射热通量辐射热通量散度对光谱积分：辐射热通量散度对光谱积分：对灰性介质，对灰性介质，=常数：常数：044bII ddq44 TGq回顾回顾热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering5回顾回顾辐射介质传热课程主要内容辐射
3、介质传热课程主要内容辐射传热辐射传热过程过程求解及分析方法：求解及分析方法：辐射传递方程；光学薄、光学厚及一维系统辐辐射传递方程；光学薄、光学厚及一维系统辐射传递理论解、近似解；离散坐标法（射传递理论解、近似解；离散坐标法（DOM）、）、蒙特卡罗法（蒙特卡罗法（MCM）、）、DRESOR法法介质辐射介质辐射特性特性及其模型：及其模型：气体辐射特性；粒子及粒子群辐射特性；表面气体辐射特性；粒子及粒子群辐射特性；表面辐射特性辐射特性热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering6主题主题气体辐射特性及其光谱气体辐射特性及其光谱模型模型第九次课堂讲授第九次课堂
4、讲授热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering7内容内容第八次课堂讲授第八次课堂讲授概述概述气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制独立谱线的独立谱线的辐射计算辐射计算气体辐射特性数据库气体辐射特性数据库气体气体辐射光谱模型概述辐射光谱模型概述小结小结热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering8概述概述气体气体辐射辐射是是火焰辐射的重要（主要）组成部分火焰辐射的重要（主要）组成部分，但是人们但是人们对此重要性的认识比对此重要性的认识比对对原子线光谱原子线光谱的研的研究要究要晚晚数十年数十年直到上个世纪直到上个世
5、纪3030年代年代才系统地实验研究了才系统地实验研究了重要重要燃燃烧烧产物产物COCO2 2、H H2 2O O等气体的总辐射性能等气体的总辐射性能据此绘制了工程实用的计算黑度函数图（霍太尔据此绘制了工程实用的计算黑度函数图（霍太尔（HottelHottel H CH C）线算图线算图）气体辐射的研究历史气体辐射的研究历史孙鸿宾，孙鸿宾，殷晓静殷晓静，杨晶编著，辐射换热，冶金工业出版社，杨晶编著，辐射换热，冶金工业出版社，1996年年08月月第第1版，版，pp.224热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering9概述概述以后逐渐深入以后逐渐深入地研究地
6、研究了气体了气体辐射的辐射的带、线光谱带、线光谱，并于并于19401940一一19601960年代先后提出了计算气体辐射的年代先后提出了计算气体辐射的各种半理论型的窄带和宽带数学模型各种半理论型的窄带和宽带数学模型19701970年代以来也有人研究了以分子结构理论和量年代以来也有人研究了以分子结构理论和量子力学为基础的子力学为基础的理论理论计算方法计算方法,但是这种方法很但是这种方法很繁琐繁琐从一般工程实用从一般工程实用观点看观点看，早期认为，早期认为窄带模型窄带模型计算计算仍然过繁，现在已经很普遍仍然过繁，现在已经很普遍气体辐射的研究历史气体辐射的研究历史热热能能工程工程系系Departme
7、nt of Thermal Engineering 10概述概述气体主要气体主要发射和吸收发射和吸收热辐射热辐射，但也具有微弱的，但也具有微弱的散散射射作用作用对于像大气对于像大气物理现象这样大尺度的物理现象这样大尺度的情况，有也明情况，有也明显的散射现象显的散射现象存在，存在，如如蓝天效应蓝天效应但是在工业设备但是在工业设备的尺度范围的尺度范围内，内，散射可以忽略散射可以忽略不不计计气体辐射的特点气体辐射的特点热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering11概述概述气体吸收光谱的特点气体吸收光谱的特点John R.Howell,Robert Sieg
8、el,M.Pinar Meng ,Thermal Radiation Heat Transfer,Fifth Edition,CRC Press,2011,pp.445.COCO2 2低分辨率低分辨率分光吸收光分光吸收光谱谱10atm830K=0.388mpTl图图9 9-1 1 COCO2 2低分辨率分光吸收光谱低分辨率分光吸收光谱热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering12概述概述气体吸收光谱的特点气体吸收光谱的特点COCO2 2、H H2 2O O、CHCH4 4低分低分辨率分光辨率分光吸收光谱吸收光谱10atm830K=0.388mpTl图
9、图9 9-2 2 COCO2 2、H H2 2O O、CHCH4 4低分辨率分光吸收光谱低分辨率分光吸收光谱热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering13概述概述气体吸收光谱的特点气体吸收光谱的特点COCO2 2在氮气气氛在氮气气氛下很小分压、下很小分压、4.3 4.3 带的吸带的吸收谱线收谱线mMichael F.Modest,Radiative Heat Transfer,Third Edition,Academic Press,2013,p.324.210mbar0300KCOppT图图9 9-3 3 COCO2 2在氮气气氛、小分压下的吸收谱
10、线在氮气气氛、小分压下的吸收谱线热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering14概述概述气体吸收光谱的特点气体吸收光谱的特点 低温：低温：高温高温：21bar,01000KCOppT21bar,0300KCOppT图图9 9-4 4 COCO2 2在氮气气氛、低温和高温下的吸收谱线在氮气气氛、低温和高温下的吸收谱线热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering15概述概述气体吸收光谱的特点气体吸收光谱的特点COCO2 2窄带窄带光谱光谱取自取自Michael F.Modest教授在清华大学的讲座教授在清华大学的讲
11、座,2012年年图图9 9-5 5 不同波长范围显示的不同波长范围显示的COCO2 2窄带光谱窄带光谱热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering16概述概述气体吸收光谱的特点气体吸收光谱的特点COCO2 2窄带窄带光谱光谱热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering17概述概述气体吸收光谱的特点气体吸收光谱的特点COCO2 2窄带窄带光谱光谱热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering18概述概述气体吸收光谱的特点气体吸收光谱的特点COCO2 2窄带窄带光谱光谱热热能
12、能工程工程系系Department of Thermal Engineering19概述概述气体吸收光谱的特点气体吸收光谱的特点COCO2 2窄带窄带光谱光谱取自取自Michael F.Modest教授在清华大学的讲座教授在清华大学的讲座,2012年年图图9 9-6 6 不同温度下的不同温度下的COCO2 2窄带光谱窄带光谱热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering20内容内容第九次课堂讲授第九次课堂讲授概述概述气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制独立谱线的独立谱线的辐射计算辐射计算气体辐射特性数据库气体辐射特性数据库气体气体辐射光谱模型概述辐射光谱
13、模型概述小结小结热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering21气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制2.Material Waves and Energy Quantization.In:Gang Chen,NanoscaleEnergy Transport and Conversion,A Parallel Treatment of Electrons,Molecules,Phonons,and Photons,OXFORD UNIVBRSITY PRESS,2005物质波和能量量子化物质波和能量量子化热热能能工程工程系系Department of
14、Thermal Engineering22气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制Gang Chen 著，周怀春，著，周怀春，李水清，黄志锋，刘华李水清，黄志锋，刘华波波 译，热辐射经典译译，热辐射经典译丛：纳米尺度能量输运丛：纳米尺度能量输运和转换和转换:对电子、分子、对电子、分子、声子和光子的统一处理，声子和光子的统一处理，北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，2014物质波和能量量子化物质波和能量量子化热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering23气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制电磁辐射的波粒二象性电磁辐射的波粒二象性量子力学量子力学起源
15、于对起源于对黑体辐射黑体辐射和和气体吸收光谱气体吸收光谱的的解释解释到到1919世纪末，世纪末，经典牛顿力学经典牛顿力学和和经典电动力学经典电动力学已已经作为两个独立的理论建立起来经作为两个独立的理论建立起来牛顿力学基于物质的粒子特性，而电动力学则牛顿力学基于物质的粒子特性，而电动力学则基于波动特性基于波动特性。有趣的是，艾萨克。有趣的是，艾萨克牛顿爵士坚牛顿爵士坚信辐射在本质上类似于粒子而非波动，如同我信辐射在本质上类似于粒子而非波动，如同我们今天更为熟悉的那样们今天更为熟悉的那样热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering24气体气体辐射的辐射的物
16、理机制物理机制电磁辐射的波粒二象性电磁辐射的波粒二象性克里斯琴克里斯琴惠更斯（惠更斯（16291629-16951695）、托马斯）、托马斯杨杨（17731773-18291829）、奥格斯汀）、奥格斯汀简简菲涅耳（菲涅耳（17881788-18271827），以及其他人的工作，对），以及其他人的工作，对干涉和衍射现干涉和衍射现象象的发现和解释，继之以的发现和解释，继之以麦克斯韦麦克斯韦（18311831-18791879）和他的著名和他的著名方程组方程组，奠定了，奠定了电磁场的波动性电磁场的波动性的的基础基础然而，麦克斯韦方程组在解释然而，麦克斯韦方程组在解释发射和吸收过程发射和吸收过程时遭
17、遇了失败，例如实验观测到的各种时遭遇了失败，例如实验观测到的各种气体的气体的精细吸收光谱精细吸收光谱，以及，以及黑体辐射黑体辐射热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering25气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制电磁辐射的波粒二象性电磁辐射的波粒二象性氢光谱的氢光谱的分立吸收谱线分立吸收谱线不能用连续介质力学解释不能用连续介质力学解释为了为了解释黑体辐射解释黑体辐射，迈克，迈克普朗克（普朗克（18581858-19481948）引入一个基本假设：电磁场的频率为引入一个基本假设：电磁场的频率为的的允许能允许能量不连续量不连续，而是如下基本能量单元的倍数，
18、而是如下基本能量单元的倍数这里：这里：为为普朗克常量普朗克常量，上式中的基本能量单元后来被称作上式中的基本能量单元后来被称作光子光子（LewisLewis，19261926）pppEhh346.6 10J sh热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering26气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制光电效应光电效应爱因斯坦推断：一个光子要把一个电子从金属表爱因斯坦推断：一个光子要把一个电子从金属表面激发出来，要求光子的能量高于电极的逸出功面激发出来，要求光子的能量高于电极的逸出功图图9-7（a）光激发的电子发射称为光电效应。通过引入光的粒子性，爱）光激发的电
19、子发射称为光电效应。通过引入光的粒子性，爱因斯坦解释了该效应。（因斯坦解释了该效应。（b）金属中的电子具有接近费米能级的能量，只）金属中的电子具有接近费米能级的能量，只有光子能量大于逸出功时，才能将电子发射到真空中去。有光子能量大于逸出功时，才能将电子发射到真空中去。热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering27气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制波与粒子间的动量和能量关系波与粒子间的动量和能量关系波与粒子间的动量和能量关系：波与粒子间的动量和能量关系：普朗克普朗克-爱因斯坦爱因斯坦关系关系动量，动量，波长，波长，能量能量在光的波粒二象性的基础上，德
20、布罗意进一步提在光的波粒二象性的基础上，德布罗意进一步提出：出：物质具有波动特性物质具有波动特性，并遵守同样的普朗克，并遵守同样的普朗克-爱爱因斯坦关系因斯坦关系,hEhp:p:E热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering28气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制原子和分子的总能量原子和分子的总能量总能量：总能量：近似为平动、振动、转动以及电子能近似为平动、振动、转动以及电子能量的和：量的和：平动能级：平动能级：由于原子质量比电子大得多，由于原子质量比电子大得多，平动平动能级的间隔非常小能级的间隔非常小，可视为连续变量，通常简，可视为连续变量，通常简化
21、地表示为动能化地表示为动能tottransvibrotelEEEEEtrans222()2vvvxyzmE热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering29气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制振动能级振动能级谐振子：谐振子：描绘了宽广范围内的现象，例如多原描绘了宽广范围内的现象，例如多原子分子内的振动能级，电磁场，固体中的原子子分子内的振动能级，电磁场，固体中的原子振动：振动：这里：这里：振动量子数振动量子数vib12Ehn1 (0,1,2.)2Knm图图9-8（a）谐振子模型用一个抛物线近似处）谐振子模型用一个抛物线近似处于平衡处的势能。（于平衡处的势
22、能。（b）谐振子的能级。）谐振子的能级。:n热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering30气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制用谐振子模型理解气体在红外波段的吸收特性用谐振子模型理解气体在红外波段的吸收特性当光子与气体相互作用时，只有当光子能量等当光子与气体相互作用时，只有当光子能量等于分子在终态和初态的能量差时，才发生吸收：于分子在终态和初态的能量差时，才发生吸收：这里，下标这里，下标代表光子代表光子即：只有当光子频率等于分子振动频率时，才即：只有当光子频率等于分子振动频率时，才发生吸收或发射（也称为吸收线）发生吸收或发射（也称为吸收线），为弹簧常
23、数：为弹簧常数：1 (0,1,2.)2KnmppfiEhEEp2/2UKxK热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering31气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制用谐振子模型理解气体在红外波段的吸收特性用谐振子模型理解气体在红外波段的吸收特性对于多原子分子（多于两个原子），振动频率对于多原子分子（多于两个原子），振动频率多于一个多于一个一般地，复杂的振动模式可以分解为多个简正一般地，复杂的振动模式可以分解为多个简正模式模式每个简正模式可以视为一个具有相应基频的谐每个简正模式可以视为一个具有相应基频的谐振子振子基础简正模式可以叠加，形成新的吸收线基础简正模
24、式可以叠加，形成新的吸收线热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering32气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制图图9-9（a）H2O分子的振动简正模式。箭头代表在某一瞬间原分子的振动简正模式。箭头代表在某一瞬间原子振动的方向。子振动的方向。热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering33气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制图图9-9（b）CO2分子的振动简正模式。箭头代表在某一瞬间原分子的振动简正模式。箭头代表在某一瞬间原子振动的方向。子振动的方向。COCO2 2的的对称拉伸对称拉伸和和非对称拉伸非对称拉伸的的
25、差异差异形成众所周知形成众所周知的的处的吸收线处的吸收线，是全球变暖的主要因素，是全球变暖的主要因素，因为这条吸收线靠近地面热辐射的峰值因为这条吸收线靠近地面热辐射的峰值10m110.16m10m(2335 1351)/10000m热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering34气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制刚性转子刚性转子在双原子分子和多原子分子中，原子既能在双原子分子和多原子分子中，原子既能相互相互振动振动，又能作为，又能作为整体转动整体转动相互振动可以用相互振动可以用谐振谐振子子近似处理近似处理对于一个双原子分子，对于一个双原子分子，只考虑
26、其只考虑其旋转运动旋转运动，两个原子的距离则假两个原子的距离则假定为常量（定为常量（刚性旋转刚性旋转）图图9-10（a）刚性转子。（）刚性转子。（b）刚）刚性转子的能级。性转子的能级。：转动量子数：转动量子数：转动量子简并度：转动量子简并度g热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering35气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制刚性转子刚性转子刚性转子刚性转子能量本征值能量本征值这里，这里，称作旋转常数称作旋转常数对于氢气，对于氢气，与此，与此转动态对应的波转动态对应的波长非常长长非常长（）与谐振子情形类似，仅当与谐振子情形类似，仅当转子的能级间隔与光转子
27、的能级间隔与光子能量相配子能量相配时，刚性转子才时，刚性转子才吸收光子吸收光子2(1)(1)(,0,1,2.)2EhBmI2/(8)HzBhI121.8 10 HzB 100m1()/2(1)pEEhB热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering36气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制振动振动-转动态转动态对于氢分子，对应波长为对于氢分子，对应波长为量级；这样，纯量级；这样，纯粹的转动模式波长较长，在热能传递的情况下粹的转动模式波长较长，在热能传递的情况下一般不重要，但在微波范围内会变得重要一般不重要，但在微波范围内会变得重要既然双原子分子同时具有振动
28、和转动模式，可既然双原子分子同时具有振动和转动模式，可以大致认为，允许能态为转动和振动能级的叠以大致认为，允许能态为转动和振动能级的叠加，形成振动加，形成振动-转动态转动态简明起见，假定转动和振动两种运动独立，两简明起见，假定转动和振动两种运动独立，两种能级可直接相加种能级可直接相加100m热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering37气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制振动振动-转动态转动态对应地，组合的对应地，组合的振动振动-转动态的吸收线转动态的吸收线可写作可写作正号表示，由于吸收光子，振子能级升高，转正号表示，由于吸收光子，振子能级升高，转子
29、能级也随着升高一级子能级也随着升高一级负号则表示转子能级降低一级负号则表示转子能级降低一级这样，在多原子分子的每一个振动基频这样，在多原子分子的每一个振动基频附近，附近，由于分子转动，形成了由于分子转动，形成了有精细结构的光谱线有精细结构的光谱线2(1)pB热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering38气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制振动振动-转动态转动态图图9-11 少量少量CO2在氮气中的光谱吸收系数。在氮气中的光谱吸收系数。T=296K,p=1.0bar,4.3谱带谱带m热热能能工程工程系系Department of Thermal Eng
30、ineering39气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制原子能级及电子辐射跃迁原子能级及电子辐射跃迁 原子中的电子分为自由态原子中的电子分为自由态和束缚态电子和束缚态电子 自由状态的电子可具有任自由状态的电子可具有任意能量，其能级是连续的意能量，其能级是连续的 原子的束缚态能级只能具原子的束缚态能级只能具有称为定态的分立能级有称为定态的分立能级 当电子从低能级能量状态当电子从低能级能量状态跃迁至高能级能量状态上跃迁至高能级能量状态上去时，就会吸收光子；反去时，就会吸收光子；反之发射光子之发射光子图图9-12 原子能级跃迁示意图原子能级跃迁示意图。热热能能工程工程系系Department of
31、Thermal Engineering40气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制原子能级及电子辐射跃迁原子能级及电子辐射跃迁 电子能级和振动、转动能级的电子能级和振动、转动能级的比较比较 电子的能级较高，其迁移需要电子的能级较高，其迁移需要较高的频率，所以这种迁移发较高的频率，所以这种迁移发生在紫外区域（生在紫外区域（0.010.01-0.4 0.4 ）和可见光区域（和可见光区域（0.40.4-0.7 0.7 ）由于能量较低，振动和转动迁由于能量较低，振动和转动迁移产生的谱线常常在红外区域移产生的谱线常常在红外区域（1.01.0-100 100 ）图图9-13 电子能级和振动、转电子能级和振动、
32、转动能级的比较动能级的比较mmm热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering41气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制原子能级及电子辐射跃迁原子能级及电子辐射跃迁 电磁波的频率和能级相关的概念电磁波的频率和能级相关的概念 高频电磁波就对应着高能量的能级。所以电子跃迁高频电磁波就对应着高能量的能级。所以电子跃迁是高能级跃迁，常发生在紫外、可见区域，这是我是高能级跃迁，常发生在紫外、可见区域，这是我们肉眼可见的。也常常是发生了化学反应、产生了们肉眼可见的。也常常是发生了化学反应、产生了新的物质的辐射。新的物质的辐射。可见光区域的分子辐射常常称作“化学发光”可
33、见光区域的分子辐射常常称作“化学发光”振动和转动迁移不伴随发生物质的变化，是物质红振动和转动迁移不伴随发生物质的变化，是物质红外辐射的物理机制外辐射的物理机制热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering42气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制原子能级及电子辐射跃迁原子能级及电子辐射跃迁 电子能级跃迁需要的能量电子能级跃迁需要的能量比比振动振动和和转动转动能级跃迁需要能级跃迁需要的能量的能量大得多大得多，通常对应光谱的，通常对应光谱的可见光及紫外光谱区可见光及紫外光谱区 在传热应用中感兴趣的在传热应用中感兴趣的电子跃迁电子跃迁（波长大于（波长大于0.25
34、0.25）通常仅仅通常仅仅在超高温度在超高温度（大于几千（大于几千K K），或者具有），或者具有大量自大量自由电子由电子（如荧光）时出现（如荧光）时出现 在极高温度下的原子和分子，可通过束缚态在极高温度下的原子和分子，可通过束缚态-自由态跃自由态跃迁而被电离，或者一个离子和电子通过自由态迁而被电离，或者一个离子和电子通过自由态-束缚态束缚态跃迁而复合跃迁而复合Michael F.Modest,Radiative Heat Transfer,Third Edition,Academic Press,2013,p.312.m热热能能工程工程系系Department of Thermal Engin
35、eering43气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制原子能级及电子辐射跃迁原子能级及电子辐射跃迁 此外，一个与一个分子碰此外，一个与一个分子碰撞的自由电子会吸收或者撞的自由电子会吸收或者发射一个光子（发射一个光子（自由态自由态-自自由态跃迁由态跃迁）如果气体是单原子气体，如果气体是单原子气体，辐射将仅仅改变辐射将仅仅改变电子能级电子能级图图9-14 电子辐射跃迁示意图电子辐射跃迁示意图热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering44气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制原子能级及电子辐射跃迁原子能级及电子辐射跃迁 在再入地球大气层的超在再入地球大气层的超
36、音速航天器高温前端，音速航天器高温前端，电子辐射跃迁导致单氮电子辐射跃迁导致单氮原子出现原子出现914914条谱线，单条谱线，单氧原子出现氧原子出现682682条谱线条谱线 单原子氮的多个谱线强单原子氮的多个谱线强度高达度高达10106 6m m-1 1 连续辐射谱线（束缚态连续辐射谱线（束缚态-自由态和自由态跃迁）自由态和自由态跃迁）强度也很大强度也很大图图9-15 在一个超音速边界空气等离子体在一个超音速边界空气等离子体中单原子和双原子氮气的光谱吸收系数中单原子和双原子氮气的光谱吸收系数热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering45气体气体辐射的
37、辐射的物理机制物理机制原子能级及电子辐射跃迁原子能级及电子辐射跃迁图图9-15 在一个超音速边界空气等离子体在一个超音速边界空气等离子体中单原子和双原子氮气的光谱吸收系数中单原子和双原子氮气的光谱吸收系数 N N2 2的分子在的分子在10 000 K10 000 K温温度下发生游离，谱线强度下发生游离，谱线强度比氮原子低很多度比氮原子低很多 较低温度下所有分子均较低温度下所有分子均处于最低能级，仅存在处于最低能级，仅存在大多数工程应用中不重大多数工程应用中不重要的谱带：要的谱带：或者或者-1(50000cm)(0.2)m热热能能工程工程系系Department of Thermal Engin
38、eering46气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制谱线增宽及谱线函数谱线增宽及谱线函数没有任何谱线是真正“单色”的；相反，吸收或发没有任何谱线是真正“单色”的；相反，吸收或发射谱线总是出现在一个较小的有限波数范围射谱线总是出现在一个较小的有限波数范围实际增宽的谱线使得其在量子力学预测的波数上具实际增宽的谱线使得其在量子力学预测的波数上具有最大强度有最大强度四种重要的谱线增宽现象：自然增宽、碰撞增宽、四种重要的谱线增宽现象：自然增宽、碰撞增宽、StarkStark（斯塔克）增宽、（斯塔克）增宽、DopplerDoppler（多普勒）增宽（多普勒）增宽碰撞增宽碰撞增宽和和多普勒增宽多普勒增宽是主
39、要机制是主要机制气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制碰撞增宽碰撞增宽原理：原理：一定压力和温度下的气体分子、原子或离子一定压力和温度下的气体分子、原子或离子处于不断的无规则运动状态中，相互之间会发生碰处于不断的无规则运动状态中，相互之间会发生碰撞撞试验表明，每一次试验表明，每一次碰撞碰撞都使得正在自发发射的粒子都使得正在自发发射的粒子立即停止按原来的规律继续发射，结果导致发生辐立即停止按原来的规律继续发射，结果导致发生辐射的位相发生无规则的变化，使得射的位相发生无规则的变化，使得电磁辐射偏离单电磁辐射偏离单色辐射色辐射，即这种碰撞具有增宽效应，即这种碰撞具有增宽效应热热能能工程工程系系Depa
40、rtment of Thermal Engineering48气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制碰撞增宽碰撞增宽从从洛仑兹（洛仑兹（Lorentz）电子理论）电子理论或量子力学导出的碰或量子力学导出的碰撞增宽线形函数为：撞增宽线形函数为：这里：这里：-线强，或线积分吸收系数线强，或线积分吸收系数-用波数单位表示的半带宽用波数单位表示的半带宽-中心波数中心波数-LorentzLorentz线形函数线形函数,有：有：Michael F.Modest,Radiative Heat Transfer,Third Edition,Academic Press,2013,p.316.SC0()L()1L
41、d热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering49气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制碰撞增宽碰撞增宽由于分子碰撞次数正比于分子的数密度（由于分子碰撞次数正比于分子的数密度（）以及平均分子速度（以及平均分子速度（），可知），可知纯气体的半带纯气体的半带宽宽从动力学理论计算为：从动力学理论计算为：这里：这里：-分子的等效直径分子的等效直径-气体总压；气体总压；-分子质量分子质量-拟合指数，从实验中得到拟合指数，从实验中得到-温度，带下标“温度，带下标“0 0”为参考（基准）温度”为参考（基准）温度Dpmn/np TavTT热热能能工程工程系系Depart
42、ment of Thermal Engineering50气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制多普勒增宽多普勒增宽多普勒效应：多普勒效应：朝向观测者运动的波看起来稍微被压朝向观测者运动的波看起来稍微被压缩（波长变短，或者频率变高）、离开则稍微膨胀缩（波长变短，或者频率变高）、离开则稍微膨胀（波长变长，或者频率变低）（波长变长，或者频率变低）多普勒线形函数：多普勒线形函数：这里这里,多普勒谱线半宽为：多普勒谱线半宽为：i热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering51气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制综合效应综合效应在大多数工程应用中，在大多数工程应用
43、中，碰撞增宽碰撞增宽因为正比于因为正比于而而起主要作用起主要作用多普勒增宽正比于多普勒增宽正比于。在。在极高温度极高温度下（此时，由下（此时，由于普朗克函数的缘故，大波数下的跃迁很重要；以于普朗克函数的缘故，大波数下的跃迁很重要；以及及/或者，或者，与温度成反比），以及与温度成反比），以及低压低压下，下，多普多普勒增宽勒增宽将起主要作用将起主要作用/pTT,LD热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering52气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制综合效应综合效应-CO2和和H2O在在4.3 谱带谱带低压（低压（p=0.1barp=0.1bar）下）下多普
44、勒增宽起主要作多普勒增宽起主要作用用高压（高压（p=1barp=1bar）下碰）下碰撞增宽起主要作用，撞增宽起主要作用，除非遇到极高温除非遇到极高温（TT2000K2000K）;此时线此时线形仍然保持洛仑兹线形仍然保持洛仑兹线形形图图9 9-1616 COCO2 2和和H H2 2O O在在4.34.3谱带上的洛仑兹、多普勒谱带上的洛仑兹、多普勒半带宽半带宽随温度的变化随温度的变化mm1bar=10大气压大气压低压下碰撞增宽低压下碰撞增宽高压下碰撞增宽高压下碰撞增宽多普勒增宽多普勒增宽热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering53气体气体辐射的辐射的
45、物理机制物理机制综合效应综合效应-佛澳特（佛澳特（Voigt）增宽线形）增宽线形综合效应需要考虑时，通常假设碰撞增宽和多普勒综合效应需要考虑时，通常假设碰撞增宽和多普勒增宽相互独立（并不严格准确）增宽相互独立（并不严格准确）综合效应：佛澳特（综合效应：佛澳特（VoigtVoigt）增宽线形）增宽线形从纯多普勒增宽从纯多普勒增宽变到纯碰撞增宽变到纯碰撞增宽的佛澳特（的佛澳特（VoigtVoigt）增宽线形用参数）增宽线形用参数列表给出列表给出(/0)LD(/)LD/LD热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering 54气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制
46、综合效应综合效应-佛澳特（佛澳特（Voigt）增宽线形）增宽线形图图9-17 洛仑兹、多普勒、洛仑兹、多普勒、佛澳特（佛澳特（Voigt）增宽线形）增宽线形（线强和半带宽分别相等）（线强和半带宽分别相等）热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering55内容内容第九次第九次课堂讲授课堂讲授概述概述气体气体辐射的辐射的物理机制物理机制独立谱线的独立谱线的辐射计算辐射计算气体辐射特性数据库气体辐射特性数据库气体气体辐射光谱模型概述辐射光谱模型概述小结小结热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering56独立谱线的独立谱
47、线的辐射计算辐射计算光谱辐射传递方程光谱辐射传递方程 吸收吸收-发射介质光谱辐射传递方程：发射介质光谱辐射传递方程：()bdIIIds热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering57独立谱线的独立谱线的辐射计算辐射计算光谱辐射传递方程光谱辐射传递方程 考虑一个等温、均匀介质层，厚度考虑一个等温、均匀介质层，厚度。光学薄假设下。光学薄假设下有：有：都不随位置而变化，上式积分为：都不随位置而变化，上式积分为：这里：这里：=几何路径长度几何路径长度（对应线性吸收系数（对应线性吸收系数）=密度路径长度密度路径长度（对应密度吸收系数（对应密度吸收系数）=压力路径
48、长度压力路径长度（对应压力吸收系数（对应压力吸收系数）L()(0)(0)(1)XXbIXIeIe,bIX1(cm)LiL/ip L/pp热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering58独立谱线的独立谱线的辐射计算辐射计算光谱辐射传递方程光谱辐射传递方程 由吸收由吸收-发射介质发射介质光谱辐射传递方程光谱辐射传递方程得：得：()(0)(0)(1)XXbIXIeIe()(0)(0)(1)(0)(1)XXbIXIIeIe热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering59独立谱线的独立谱线的辐射计算辐射计算光谱辐射传递方
49、程光谱辐射传递方程 吸收吸收-发射介质发射介质光谱辐射传递方程光谱辐射传递方程 吸收吸收-发射介质光谱辐射传递方程发射介质光谱辐射传递方程对波长积分对波长积分后得：后得：这里，假设：这里，假设：在单根谱线附近并不明显变化在单根谱线附近并不明显变化()(0)()(0)(0)(1)XbI XIIXIdIIed,bII()(0)(0)(1)(0)(1)XXbIXIIeIe热热能能工程工程系系Department of Thermal Engineering60独立谱线的独立谱线的辐射计算辐射计算光谱辐射传递方程光谱辐射传递方程 定义定义即：在任意波长下入射辐射被气体介质层即：在任意波长下入射辐射被气
50、体介质层吸收的份额吸收的份额；也；也是来自气体介质层是来自气体介质层自身发射中离开介质层的份额自身发射中离开介质层的份额（未被自（未被自吸收）吸收）-类似于“吸收率”或“发射率”类似于“吸收率”或“发射率”类似于谱线“吸收率”或“发射率”，通常称作类似于谱线“吸收率”或“发射率”，通常称作“等效线宽（“等效线宽（equivalent line width）”。）”。随光学路随光学路径径变化的相关关系称作“增长曲线（变化的相关关系称作“增长曲线（curve of growth）”）”(1)XWedWWXMichael F.Modest,Radiative Heat Transfer,Third