在模拟热模型中的辐射热载荷时，我们需要仔细考虑入射的热辐射如何与表面相互作用。如果要模拟一个没有任何折射的系统，我们可以使用 COMSOL®软件传热模块中的表面对表面辐射接口，该接口具有模拟漫反射和镜面反射、吸收和透射的能力。本文，我们将了解更多辐射传热模拟的详细内容。
本文是使用 COMSOL Multiphysics®软件模拟辐射传热系列博文的第2部分。点击此处阅读第 1 部分和第 3 部分。
模拟入射到表面的红外辐射
我们模拟的是灰体辐射，所以存在关系式\alpha + \rho_d +\rho_s = 1，并根据下面两个属性描述表面行为：
- 发射率\epsilon，表面辐射与理想辐射体的比率。在关于模拟发射率的博客文章中介绍过
- \rho_d，漫反射率
表面吸收率等于发射率，\alpha = \epsilon，因此镜面反射率为\rho_s = 1-(\alpha + \rho_d)。吸收率为零意味着所有辐射都被反射了，\alpha = 1意味着所有的辐射都被吸收了。虽然在现实情况下，我们的材料只能无限接近完全吸收的假定，但有时全吸收或全反射（漫反射或镜面反射）的概念在建模时很有用。
下图显示了准直入射辐射通量的几种情况：
- 被完美吸收
- 被漫反射，有可能被吸收
- 被镜面反射，有可能被吸收
- 被吸收、漫反射和镜面反射
入射在表面上的准直辐射束的吸收率（发射率）和漫反射率的各种组合。图中省略了由于表面温度非零引起的发射。
需要在表面对表面辐射接口中使用射线发射方法来模拟镜面反射。使用这种方法时，不透明表面特征允许输入漫反射率和表面发射率，并且表面发射率（吸收率）可以随角度变化。其他方法，直接面积分方法（仅用于没有任何视线阻碍因素的较小模型）和Hemicube方法，不能模拟镜面反射。因此使用这些方法时，漫反射表面特征仅允许我们输入发射率并计算漫反射率\rho_d = 1-\epsilon。对于本文介绍的示例，我们将仅使用射线发射方法，因为它可以模拟我们想要研究的所有情况。
为了直观起见，我们以下图所示的真空腔室热模型为例来说明。这个腔室由两个部分组成，较小的部分包含一个发出热辐射的热物体，即红外 (IR) 光。两个腔室之间有一个狭窄的开口，可以通过一小部分辐射，来照射腔室的其他部分。我们将研究这个入射辐射是如何被放置在中心的物体吸收和反射的。由于开口又长又窄，通过的辐射几乎是准直的。
一个由两个部分组成的真空腔室，中间有一个允许一些几乎准直的热辐射通过的小开口。
将腔室壁的发射率（吸收率）设置为 1，并保持温度固定在 0 K ，这样就能完全吸收从中心物体反射过来的辐射。由于我们只想计算入射辐射与表面的相互作用，不想模拟任何其他传热模式，例如固体内的传导传热，我们可以只使用表面对表面辐射接口，并从我们的模型中删除固体传热接口。
我们还将目标物体的温度固定在 0 K，这样它就不会发出任何辐射。虽然这是一种理想情况，但这可以让我们只关注从高温腔室发射出来的辐射如何被目标物体吸收和反射。
混合镜面/漫反射表面的设置。将温度设置为0 K意味着表面本身不会辐射。
下图显示了在不同设置组合下从底面反射并被腔壁吸收的辐射。正如我们所见，仿真结果因吸收率和漫反射率而不同。
腔室壁上的热辐射图。这说明了热辐射是如何从目标物体反射出来的。从左到右：完美吸收、漫反射、镜面反射和混合漫/镜面反射。
模拟曲面的镜面反射
接下来，修改我们的模型并在中心放置一个完美镜面反射的圆形物体，如下图所示。入射辐射将被反射到周围腔室的壁上，但要准确地模拟这种反射，需要增加离散化阶次。表面对表面辐射接口的默认线性离散化会将圆形物体视为多面体，每个单元边界代表一个小平面镜。这样会场仅在几个方向上产生反射。随着单元阶次的增加，反射辐射的分布变得更加平滑。
使用线性、二次和三次离散化绘制远离小圆形物体的反射辐射图。
模拟半透明物体
最后，将我们的示例模型修改为一个半透明的薄而扁平的物体，这意味着它会吸收、反射和透射辐射。在折射可以忽略且物体很薄的情况下，我们可以使用射线发射方法，通过半透明表面特征来求解。此特征还引入了表面透射率属性\tau，它描述了入射辐射的镜面透射率：\alpha + \rho_d +\rho_s +\tau = 1。附加的临界角设置提供了一个阈值，低于该阈值不会发生透射，只会发生镜面反射。
半透明表面特征将入射辐射分成反射和透射分量。
由下图我们可以观察到，将发射率和漫反射率设置为 0 、透射率设置为 0.5 的镜面反射界面如何导致入射的辐射以 50/50 的比例分离。如果界面本身有任何吸收，将被视为边界热负荷。
半透明表面上的入射辐射被分成反射和透射分量。
这里很重要的一点是，需要注意我们不考虑折射，因此不能模拟透镜效应。如果要模拟通过电介质材料的反射和折射射线，我们可以使用COMSOL软件中的射线光学模块的功能。
结束语
今天这篇博文，我们研究了不透明和半透明表面的辐射反射，以及模拟弯曲反射边界的建模注意事项。请记住，在有限温度下，辐射的吸收和反射与表面的辐射发射同时发生，您可以查阅本系列博客中关于辐射传热建模的第 1 部分内容：“模拟辐射传热中的发射率”。
到目前为止，我们还没有讨论如何使用 COMSOL 软件计算表面与表面之间的辐射传热。如果您想进一步理解这种计算，敬请关注本系列的最后一篇博文！
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