当前课程知识点：介质辐射传热 > 第十一章 表面辐射特性 > 第五节 表面辐射特性的理论分析 > Video
前面我们介绍了表面辐射特性参数
有点令人眼花缭乱的感觉
这些辐射参数到底是由什么原理决定的
能不能通过理论分析得到
定量准确的认识和了解
这就是辐射特性的理论分析的目标
辐射特性分析的意义
首先在于如果不知道辐射特性
就无法计算辐射问题
而实际上大多数辐射特性随入射方向
出射方向和波长变化
需要实验测量 理论分析非常困难
但是对于纯物质 完全光滑的表面
我们可以用传统的电磁波理论
也就是麦克斯韦方程组计算其发射度
吸收比和反射比
这种计算在有些情况下可以替代实验测试
并且帮助解读以及扩展实验数据到其他工况下
首先辐射是一种电磁波
光也是一种电磁波
热辐射的理论发展
与光的本质认识历史密切相关
这里给出了光的本质认识的历史中
发现几个重要的定律和理论的时间阶段
从光的波动学说
到麦克斯韦在1861年提出了他著名的
完整描述电磁波的方程组
描述电场与磁场之间的相互作用
描述光和热辐射传递的经典理论得以完美建立
麦克斯韦方程组
至今仍然是研究光的主要理论基础
James Clerk Maxwell是英国物理学家 数学家
创建英国第一个专门的物理实验室
建立了麦克斯韦方程组 创立了经典电动力学
预言了电磁波的存在 提出了光的电磁说
属于全世界顶级物理学家之一
麦克斯韦方程组
是计算辐射和表面相互作用时有力的理论
电导率 磁导率和介电常数是物质和电磁波
相互作用时的基本参数
在物理学中
电磁学是非常重要的分支
已形成完备的理论体系
本门课程只能简要概述一二
需要进一步学习的话可以选学相关的课程
电导率 磁导率和介电常数与介质相关
电磁波一般是在介质中传播的
如果这些唯象系数与场无关
则可假设所在的介质为线性介质
如果这些系数与位置和方向无关
则所在的介质为均匀 各向同性介质
但是他们一般随电磁波的波长而变化
麦克斯韦方程组中用到的
矢量的梯度和散度的定义式如下
这是非受限介质中
单一波长的电磁波的传播结果
非受限是指电磁波不和边界发生相互作用
电矢量和磁矢量由这个表达式给出
各具有两项
第一项是振幅矢量 代表电磁场的强度
第二项是振荡项 代表电磁波波的性质
这是从麦克斯韦方程组推导出来的
非受限介质中电磁波的传播过程
其中包含频率和波矢
我们还可以得到
光速可由真空中的介电常数
和磁导率直接计算出来
引入复折射指数以后
折射指数和吸收指数
均与电磁波在介质和真空中的介电常数
电导率和磁导率相关
其中包含真空中的电磁波传递的波长
说明复折射指数是波长相关的
电磁波在介质中的速度
等于其在真空中的速度除以介质的折射指数
坡印廷矢量是一个很重要的概念
用来计算随电磁波传播的能量
坡印廷矢量是电场和磁场矢量的向量积
坡印廷矢量的时均值就是电磁波携带的能量
所以从坡印廷矢量的强度中可以得出
辐射强度的大小
坡印廷矢量在电磁波
和辐射能量传递过程之间建立起了联系
坡印廷矢量的时均值是由电矢量振幅决定的
指向电磁波传播的方向
其能量指数衰减
衰减系数κ等于4π乘以波数再乘以吸收指数k
即为我们熟知的介质的吸收系数
这也就是参与性介质中吸收系数的定义的来源
偏振是描述电磁场如何在电磁波中振动的概念
在辐射传热过程中
我们不太关心偏振
因为通常此时辐射都是随机偏振的
没有特定的偏振态
偏振就是电矢量在电磁波传播时的振动方向
在一些应用场合
需要用到部分或者完全偏振光
例如激光束
工程师必须知道第一表面的反射是如何取决于
入射光的偏振态的
以及第二表面的反射是如何改变光的偏振态的
这是在任一给定位置 例如z等于0
电场矢量端点运行的曲线是一个振动椭圆
电磁波的传播方向垂直于这个平面
也垂直于电矢量和磁矢量
偏振就是说当我们从传播方向观察电磁波时
电矢量的末端将如何运动
在这张图所示的情形里
电矢量在垂直方向振动
这就是垂直偏振
如果A轴或者B轴任何一个消失
这个椭圆就会变成一条直线
这时的电磁波就被称为线性偏振
有时叫做平面偏振
我们有圆偏振波和椭圆偏振波
椭圆就是指电矢量末端的轨迹不是圆
而是椭圆
这是关于偏振光的定义
我们要区别光的偏振
主要是因为光与表面相互作用时
表面对不同偏振的光的反射会有差别
这三个参数椭圆度 方位角 以及手型性
再加上坡印廷矢量的模
共同组成了椭圆偏振量
这一整套参数可以定义电磁波的传播
它们和辐射强度不同
详细的描述可以参考其他相关资料
另一个需要讨论的问题是
麦克斯韦方程组的界面条件
电磁波在传播过程中会和界面发生相互作用
界面就是两种电磁特性不同的介质的分界面
电磁波穿过界面时
必须满足麦克斯韦方程组的界面条件
就是对于法向分量和切向分量的两个守恒方程
这是法向分量的守恒方程
这是切向分量的守恒方程
考虑电磁波从介质1
m等于1 以角度θ1 射向电介质2
m等于n减ik的表面
这是平行偏振和垂直偏振光的反射比
上一个式子对应平行偏振光
下一个式子对应垂直偏振光
不同的偏振态有不同的反射比
这就是我们需要区别光的偏振态的原因
斯涅尔定律给出折射进入介质2的光线的
传播角度θ2 满足这样一个简单的方程
对于法向入射光θ1等于θ2
有 p等于n q等于k
对于法向入射光
平行偏振和垂直偏振光的反射比是一样的
都是n和k的简单函数关系
对无偏振光
总反射比等于平行偏振
和垂直偏振光的反射比的平均值
对于电介质
k等于0 有p和n以及θ1的简单关系
斯涅尔定律就变为我们所熟悉的形式
菲涅尔定律则变为以下相对简单的表达式
除了表面存在一个很薄的半透明层
实际表面为不透明表面
反射率加吸收率等于1
从基尔霍夫定律我们有
光谱发射率等于光谱吸收率等于1减光谱反射率
从电磁波理论预测表面辐射特性
必须知道介质的复折射常数m
理论基础是色散理论
色散理论假设表面材料由谐振子组成
谐振子与入射电磁波发生相互作用
预测出介电函数 复介电函数函数
与介电常数和电导率等等参量有关
对孤立振子能带不重叠
可以用Lorentz模型预测复介电函数如下
用电磁波理论预测表面辐射特性非常基础
非常复杂
三言两语不可能讲解清楚
我们的课程只能一带而过
如果需要深入的研究
可以阅读专门的文献
说明一下这部分内容和后面一部分的内容
是Modest教授的书的第二 三章
讲电磁波理论
和不同材料的表面的辐射特性的理论预测
是很复杂的
如果我是一个学生
一上来打开教科书就读到电磁波
电磁波和表面相互作用的理论
那就太复杂了
很可能学不下去
我不建议你们从这一部分开始学起
当需要用到某些表面和粒子的辐射特性时
你们可以再去书里 手册里查找
不一定需要了解其中的具体的理论
幸亏我不是从这里开始学习热辐射的
所以我也不是从这部分内容开始讲授热辐射的
基本上把这部分内容放在了最后
只需要大家有所了解
就算需要这方面的知识
查找教材和手册可能就够了
-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
--Video
-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
