根据我的经验，辐射是最容易被忽略和低估的热量传递过程，这一过程可能会对传热研究结果的准确性造成破坏性影响。在这篇博客中，我们来讨论在包括传热的所有模型中，什么时候应该考虑辐射，如何考虑，以及什么时候可以忽略它？
研究热过程
对零件、设备或整个建筑物内的传热过程进行研究是许多行业的一项基本工作，例如微电子和航空航天行业等。说起传热过程，一般有三种主要机理：
- 热传导
- 热对流
- 热辐射
上述每一种机理对整个传热过程的贡献程度取决于具体的任务和工况条件。每种传热过程所占的比例也可能在时间和空间上有所不同。
据我个人的经验，我发现仿真工程师完全清楚传导和对流的影响，但往往会低估辐射的作用。我们可以通过检查一些指标，来看看辐射在特定模型中是否应该被忽略。
什么时候辐射很重要？
我们要讨论的问题不是热辐射是否存在(它总是存在)，而是它对总的热量传递的影响有多大。在某些情况下，辐射起着重要作用，必须加以考虑以使模型的结果正确。
表面温度与环境温度之间的差异巨大
当我们思考辐射是否起着重要的作用时，可能就是一个最明显的例子。如果物体或设备表面的温度很高，就会向环境散发大量热辐射。根据 Stefan-Boltzmann 定律，黑体的辐射输出 j*与温度T(j*~T4) 的四次方成正比。如果温度比环境温度高，就会有大量的净能量通过辐射从表面传输出去，例如灯泡模型案例就是这样一个示例。在这个模型中，灯丝在几秒钟内就可以达到大约 1772 °C 的温度，而空气的温度可能是 25°C。
同时考虑辐射、传导和对流时，灯泡内的温度分布。
大表面发射率（接近 1）
表面的发射率 ε 是相对于理想黑体的热辐射比。请注意，ε 在 0（无发射）到 1（最大发射，对应于黑体)之间变化。发射率越接近 1，辐射发射越大，总传热的热辐射量也就越大。灯泡也是大表面发射率的一个很好的例子，因为灯丝发射率经过了优化并且接近 1。
较大的外部辐射
如果外部辐射功率较大，则必须将其考虑在内，以全面考虑热通量。一个典型的例子就是在独立设备或建筑物中发挥重要作用的太阳辐射模型。
较小的传导和对流
如果通过传导和对流进行的热量传递非常小(例如，在太空或真空系统中)，热辐射在总热通量中的比例自然会增加。一个日常的例子就是地板比天花板冷的房间。由于这种温度分布，这类房间内的分层是稳定的，不会发生自然对流。传导也小到可以忽略不计，因为空气是良好的绝缘体。因此，热辐射仍然是主要的传递机理。
短时间尺度
传导是一个相当缓慢的过程，而且对流速度与运动流体的速度有关。与在光速下发生的热辐射相比，这两种机理发生的时间尺度要长得多。如果在短时间内分析一个过程，那么辐射可能是唯一对热传递有可测量影响的机理。
通过测试考虑辐射的影响
在很多情况下，很难事先量化整个过程中热辐射的比例。为了确定辐射是否对结果准确度有影响，我们应该通过有辐射和无辐射的比较计算来检查结果。
我们来看一个简单的例子，使用 COMSOL App 库中的教程模型：母线板模型来测试。该模型包括传导和对流，但不考虑热辐射。在 COMSOL 中，我们可以通过添加表面到表面辐射接口和具有表面到表面辐射的传热多物理场节点来包含辐射的影响，该节点将新接口与现有的固体传热接口相连接。
计算热辐射要求我们定义表面发射率的值，这个值必须取自母线板模型中钛和铜的参考文献数值。因为这是一个测试，所以我们将铜和钛的值都设置为 0.3。下图显示了无辐射的模型和考虑了表面对表面辐射的模型之间的温差。温差大约为 8°C，这意味着辐射会显著影响结果。
无辐射母线板模型与表面对表面辐射母板线模型的比较。该图显示了两种仿真方法之间产生的温差约为 8°C。
使用不同的施加电压， 0.1(光亮金属)~ 0.7(重度氧化金属)的铜发射率进行参数扫描，结果更加清晰。根据表面发射率 ε 的值和施加的电压，辐射传热很容易成为热量传递的主要机理，因此绝对应该考虑。材料属性也会在设备的使用寿命内发生变化，从而影响热交换器的性能。这些变化的属性也可以包含在模型中。在本例中，母线板会发生氧化，从而增加表面发射率，进而极大地影响设备的性能。
母线板总传热中的热辐射百分比(左)和最大母线板温度(右)与施加电压和不同程度的表面氧化的关系。
总结
热辐射可能是一个主要的热量传递过程，如果我们不知道需不需要考虑它，应该始终检查辐射是否对模型结果产生关键影响。有一些标准可以检查这一点。如果这样做后你仍然存在疑问，那么比较计算也有帮助。如果要考虑热辐射，COMSOL Multiphysics® 软件提供了很多合适的方法，您可以根据各自的要求进行调整来正确模拟热辐射。
单击下面的按钮，下载包含表面对表面辐射的母线板模型案例教程。
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