热辐射对模型的重要性

根据我的经验，辐射是最容易被低估且常被忽视的热量传递方式，这可能会严重影响热管理研究结果的准确性造。这篇博客，我们来探讨在任一涉及传热的模型中，何时应该考虑辐射，如何考虑以及何时可以忽略它？

传热过程研究

在如微电子和航空航天等很多行业，研究零件、设备或整幢建筑的传热过程是一项基本工作。提起传热过程，通常会涉及以下三种主要机制：

1. 热传导
2. 热对流
3. 热辐射

上述每一种机制对整个传热过程的贡献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随时间和空间变化。

根据我的个人经验，我发现虽然仿真工程师能充分考虑到传导和对流，但有时会低估辐射的影响。尽管如此，我们可以通过检查一些指标，来判断在特定的模型中辐射是否应该被忽略。

什么时候热辐射很重要？

我们要讨论的问题不是热辐射是否存在(它总是存在)，而是它对总热量传递的贡献有多大。在某些情况下，辐射起着重要作用，必须加以考虑以确保模型的结果准确。

表面与环境温度之间的巨大差异

这可能是我们思考辐射是否起着重要作用时的一个最明显的情况。如果物体或设备表面的温度很高，就会向环境释放大量的热辐射。根据斯蒂芬-玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律，黑体的辐射输出 j^* 与温度的四次方成正比 T(j^*~T⁴) 。如果温度高于环境温度，就会有大量净能量通过辐射从表面传递出去，例如 灯泡内的自然对流模型就是表面与环境温度之间存在巨大差异的一个示例，其中，灯丝在几秒内就可达到约 1772°C ，而空气的温度可能只有 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，辐射发射就越强，因此总传热中的热辐射量也越大。灯泡案例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优化，接近于 1。

较大的外部辐射

如果外部辐射功率较大，则必须将其纳入热通量的整体考量之中。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。

较小的传导和对流

如果通过传导和对流传递的热量非常小(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。例如日常生活中房间内的地板比天花板冷的房间就是这样一个示例。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，热辐射仍是主要的传递机制。

短时间尺度

传导是一个相当缓慢的过程，而且对流的速度与运动流体运动的速度有关。相较于光速下发生的热辐射，这两种机制发生的时间尺度要长得多。如果在短时间尺度内分析传热过程，辐射可能是唯一对热量传递有可测量影响的机制。

通过测试考虑热辐射的影响

大多数情况下，很难事先量化整个传热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，我们应该对有辐射和无辐射计算结果进行比较。

我们使用 COMSOL 案例库中的一个简单教程模型：母线板模型进行测试。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 多物理场节点来考虑辐射的影响，该节点将新接口与已有的固体传热 接口相连接。

热辐射的计算要求定义表面发射率的值，该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表面对表面辐射的模型之间的温差。温差大约为 8°C，说明辐射对结果有显著影响。

不考虑辐射的母线板模型与考虑表面对表面辐射的母板线模型的比较。该图显示了两种仿真方法产生的温差约为 8°C。

采用不同的施加电压， 对表面发射率在 0.1(光亮金属)~ 0.7(重度氧化金属)之间的铜进行参数扫描，得到的结果更加清晰。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制，因此绝对应该考虑。同时，材料属性在设备使用寿命内会发生变化，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。在此例中，母线板会发生氧化，使表面发射率增加，从而对设备性能产生显著影响。

母线板总的热量传递中的热辐射百分比(左)，母线板温度与施加电压和不同程度的表面氧化的函数关系(右)。

总结

热辐射是一个主要的传热过程，如果我们不知道是否需要考虑它，应该始终检查辐射是否对模型结果产生关键影响。这可以通过一些标准来判断。如果这样做后仍然不确定，那么比较计算结果也是一种有效的手段。如果需要考虑热辐射，COMSOL Multiphysics® 软件提供了多种合适的方法，用户可以根据各自的需求进行调整，实现正确模拟热辐射。

单击下面的按钮，下载包含表面对表面辐射的母线板模型教程案例。

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