当前课程知识点：介质辐射传热 > 第九章 气体辐射特性及其光谱模型 > 第三节 独立谱线的辐射计算 > Video
没有任何谱线是真正“单色”的
相反吸收或者发射谱线
总是出现在一个较小的有限的波数范围内
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
四种重要的谱线增宽现象包括
自然增宽 碰撞增宽 Stark增宽 Doppler增宽
碰撞增宽和多普勒增宽是主要机制
碰撞增宽的原理是
一定压力和温度下的气体分子 原子或者离子
处于不断的无规则运动状态中
相互之间会会发生碰撞
试验表明每一次碰撞
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
结果导致发生辐射的位相发生无规则的变化
使得电磁辐射偏离单色辐射
即这种碰撞具有增宽效应
从洛仑兹电子理论或者量子力学
可以导出的碰撞增宽的线形函数
我们在这里给出来
当压力 温度变化后
根据分子碰撞次数
正比于分子的数密度以及平均分子速度
这些参数均与温度 压力相关
纯气体的半带宽相对于初始状态的变化
可以从动力学理论中这样计算
多普勒增宽源于多普勒效应
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
波长变长 或者频率变低 假设局部热力学平衡
根据Maxwell的速度分布
可以得到多普勒线形的函数
其中γD为多普勒谱线的半宽
在大多数工程应用中
碰撞增宽因为正比于p除以根号T而起主要作用
多普勒增宽正比于η根号T
在极高温度下以及较低压力下
多普勒增宽将起主要作用
以二氧化碳和水蒸气
在4.3微米谱带上的洛仑兹
多普勒半带宽随温度的变化来看
低压是指0.1bar下
多普勒增宽起主要作用
高压大于1bar下碰撞增宽起主要作用
除非遇到极高温大于2000K
此时线形仍然保持洛仑兹线形
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
这并不严格的准确
综合效应可用佛澳特增宽线形来描述
从纯多普勒增宽变到纯碰撞增宽的
佛澳特增宽线形
可以根据参数γL比γD查找列表
或者计算得到
这里展示了典型的谱线形状
不同的线型表示不同的增宽机理
从洛仑兹增宽机理到多普勒增宽机理
位于洛仑兹增宽机理到
多普勒增宽机理之间的是佛澳特增宽机理
图中所有的谱线强度是相同的
我们需要注意图中的条件相同的线强
意味着不同的谱线吸收系数的积分是相同的
了解了气体辐射谱线的形成机理
我们来看独立谱线的辐射计算
这是光谱辐射计算的第一步
辐射计算是基于不同谱线的计算
如果我们能够计算单独谱线的辐射过程
我们就可以将不同谱线的贡献进行积分
并得到总体的贡献
所以在这里我们从辐射传递方程RTE出发
我们在这门课的前半部分
已经讲述过关于辐射传递方程
所以我们已经有了概念
并可以进行辐射传递方程的计算
我们对这个方程已经很熟悉了
对于辐射传递方程
我们要处理的是吸收发射介质
发射项是由气体介质温度决定的黑体辐射强度
气体的吸收系数决定了气体介质的发射能力
吸收和发射是由相同的物理机理决定的
我认为是相同的
我们这里给出的吸收系数
然后辐射穿过介质的强度我们暂时不考虑散射
大家看到我们讨论气体辐射的计算
依据的是最简单的辐射传递方程
我们将讨论的是一层厚度为L的等温均相气体
如果我们将我们的讨论限制在一个小空间内
这样的假设是有意义的
如果我们处理一个大的复杂的系统
通常情况下
我们将整个系统分为许多许多离散的体元
在这种情况下对于一个小的离散体积元
我认为等温均相的假设也是没有问题的
但是如果这一层的气体浓度并不均匀
意味着我们需要对这个特殊的小区域
进行更细致的网格划分
直到我们得到均相的温度浓度分布
我认为这对于我们处理
非均相情况下的传递过程是很重要的
我们应该划分足够多的网格
来保证每一个离散网格有均匀的温度和浓度
这种原理适用于流体 化学反应
如果在网格内参数的变化是不均匀的
我们需要划分更细的离散网格
所以在这种情况下因为是均匀的
黑体辐射强度和吸收系数在离散网格内
并没有明显的变化
但是在网格和网格之间是不同的
在这种情况下
从我们之前的课程我们也已经学习过
辐射传递方程的解是可以得到的
光学薄假设下我们可以得到上式的积分
在某些情况下
如果我们需要处理混合气体有很多气体组分
我们可以用气体的密度以及分压力
到底该用几何路径长度压力路径长度
还是密度路径长度
依赖于我们讨论的是哪一种量
是体积还是气体组分的浓度
对于不同的工况物理意义是相同的
变换一下吸收-发射介质光谱辐射传递方程
得到现在这个表达式
这个新表达式的意义在于
光谱辐射强度
经过一段均匀等温介质中的传递后
发生了什么变化
很显然其变化由两部分构成
一是进入介质的初始辐射强度的减少
二是等温介质自身的黑体发射的增量
在这里如果我们对整条谱线进行积分
我们可以得到这个计算式
我们可以将黑体辐射强度和辐射强度
从积分内提出来
因为黑体辐射强度和辐射强度
在这一谱线波长的狭窄区间内并不会变化很大
所以可以从积分里提出
光谱积分仅仅需要针对吸收系数
这对于设定气体的辐射模型是很重要的一步
这个积分式计算出的W
表示在任意波长下的一条谱线的波长范围内
入射辐射被气体介质层吸收的份额
也是来自气体介质层自身发射中
离开介质层的份额
是指未被自吸收的部分
类似于“吸收率”或者“发射率”
W类似于谱线“吸收率”或者“发射率”
通常称作“等效线宽”
随光学路径变化的相关关系称作“增长曲线”
将Lorentz线型给出的吸收系数随波长的变化
带入等效线宽表达式中得到等效线宽的计算式
这里S是线强是谱线上吸收系数的积分
表示该谱线吸收的强弱
γL用碰撞增宽的半宽
和自然增宽的半宽的和来计算
X用线强 路径长度和半宽计算
类似于无量纲光学厚度
I0 I1和L分别为特殊函数
Ladenburg–Reiche函数有如下近似式
当x等于1时近似式的最大误差约为1%
将Ladenburg–Reiche函数的近似式
代入等效线宽W的表达式
我们得到等效线宽在极限情况下的渐进值
对一于条弱谱线x远小于1
几乎不发生吸收现象
故在气体层的任何位置都能接受完全辐照
从而产生一个线性的吸收率与距离成正比
W等于X乘以SX远远大于1就对应于强谱线
弱谱线和强谱线
对应于我们之前课堂曾经讨论过的
光学薄和光学厚近似
弱谱线对应于光学薄近似
强谱线意味着谱线的强吸收
说明我们需要采用一些光学厚的概念
来分析这种情况
-第1节 热辐射的重要性
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-第2节 热辐射基本概念
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-第3节 表面对辐射的作用
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-第4节 表面双向反射分布函数及偏离镜向反射峰值现象
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-第5节 黑体
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-第6节 几个重要的基础辐射定律
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-第7节 辐射强度概念及兰贝特定律
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-第8节 发射率（黑度）及其检测举例
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-第9节 吸收率及灰体概念
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-第10节 温室效应及大气辐射
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-第11节 气体辐射换热基本概念及挑战
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-第12节 本课程教学思路及教材
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-第1节 辐射传递系统、辐射介质及辐射强度
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-第2节 辐射吸收和散射方程
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-第3节 辐射发射和散射的增强作用方程
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-第4节 一般辐射传递方程
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-第5节 几种简化条件下的辐射传递方程
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-第6节 辐射传递方程的边界条件及RTE小结
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-第7节 入射辐射、辐射热通量及辐射热源
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-第8节 热流体能量守恒方程及本章小结
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-第二章 辐射传递方程的建立和推导--第二章习题
-第1节 一维系统辐射传递分析的意义及一维平行平板介质
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-第2节 一维辐射传递方程一般形式
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-第3节 一维辐射传递方程简化形式
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-第4节 边界为黑体表面的非散射平板介质精确解
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-第5节 辐射平衡灰性非散射平板介质精确解
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-第6节 平板间介质辐射热通量及其散度计算一例
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-第7节 灰性漫射边界非散射平板介质精确解
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-第8节 几种散射平板介质精确解
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-第三章习题--作业
-第1节 光学薄近似概念
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-第2节 几种特殊的光学薄近似
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-第3节 光学薄介质辐射传递分析一例
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-第4节 光学薄近似解
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-第5节 光学厚近似的定义
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-第6节 光学厚近似的分析
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-第7节 光学厚近似解
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-第8节 本章小结
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-第四章 光学薄、光学厚概念及其近似解--第四章习题
-第1节 一般近似解的意义
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-第2节 舒斯特-史瓦西近似解
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-第3节 米尔恩-爱丁顿近似解
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-第4节 指数核近似解
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-第5节 本章小结
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-第五章 一维系统辐射传递一般近似解--第五章习题
-第一节 DOM法的概念和发展
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-第二节 DOM的基本原理
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-第三节 离散方向的选择
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-第四节 一维系统DOM求解
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-第五节 多维系统DOM法求解
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-第六节 FVM对DOM法的发展
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-第六章 辐射传递分析的离散坐标法（DOM）--第六章习题
-第一节 蒙特卡罗法的概念及其起源
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-第二节 浦丰（Buffon）问题
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-第三节 随机投点法与期望估计法
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-第四节 逆变换法：以介质吸收为例说明
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-第五节 辐射分析的蒙特卡罗法思路
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-第六节 辐射分析的蒙特卡罗法实施方法
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-第七节 蒙特卡罗法一例：READ法
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-第七章习题--作业
-第一节 为什么要做高温燃烧热辐射检测？
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-第二节 高像素辐射成像分析面临的挑战
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-第三节 二维系统辐射成像计算
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-第四节 辐射成像的快速计算方法
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-第五节 辐射成像快速算法的验证
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-第六节 漫散射边界处理及DRESOR法提出
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-第七节 DRESOR法主要研究进展
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-第八节 习题--作业
-第一节 气体辐射特性概述
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-第二节 气体辐射的物理机制
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-第三节 独立谱线的辐射计算
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-第四节 气体辐射特性数据库
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-第五节 气体辐射光谱模型概述
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-第六节 埃尔萨瑟窄带模型
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-第七节 统计窄谱带（SNB）模型
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-第八节 宽带模型
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-第九节 整体模型
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-第九章 气体辐射特性及其光谱模型--第九章习题
-第一节 粒子散射基本概念
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-第二节 粒子散射的定量描述
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-第三节 瑞利散射
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-第四节 球形粒子的米散射理论
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-第五节 大粒子辐射特性
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-第六节 粒子系辐射特性
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-第十章习题--作业
-第一节 从路面蜃景谈起
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-第二节 粗糙面大角度反射实验观察
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-第三节 表面的发射和吸收特性的描述
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-第四节 表面的反射特性的描述
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-第五节 表面辐射特性的理论分析
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-第六节 金属和非金属表面的辐射特性
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-第十一章习题--作业
-第一节 从“海市蜃楼”上蜃景谈起
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-第二节 梯度折射率介质辐射传递基本原理
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-第三节 梯度折射率介质辐射传递分析方法
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-第四节 梯度折射率介质辐射传递的DRESOR法
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-第五节 激光干涉法梯度折射率检测
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-第六节 瞬态辐射传递的时间漂移叠加法
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-第七节 瞬态辐射传递的DRESOR法
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-第十二章习题--作业
-第一节 燃烧学基本科学问题
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-第二节 热辐射对燃烧温度分布的影响
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-第三节 介质非灰性辐射模型的影响
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-第四节 湍流-辐射耦合作用（TRI）
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-第五节 燃烧反应放热的辐射传输机制
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-第六节 辐射传热对煤粉射流着火稳燃的作用
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-第十三章习题--作业
-第一节 因果律及正问题
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-第二节 反问题及辐射反问题
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-第三节 基于线性规划的二维温度场重建
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-第四节 分布参数反演的Tikhonov正则化方法
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-第五节 基于正则化的三维温度场重建
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-第六节 提高重建能力的虚拟像素法
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-第七节 温度场和辐射参数同时重建
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-第十四章习题--作业
