非相干輻射傳遞過(guò)程的熱力學(xué)分析.pdf

1、熱輻射是太陽(yáng)能吸收器、鍋爐爐膛等高溫系統(tǒng)中的主要傳熱方式。對(duì)這些能量轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行熱力學(xué)第二定律分析時(shí)，輻射熵產(chǎn)和輻射的計(jì)算非常重要。
　　目前在工程應(yīng)用中輻射熵產(chǎn)的計(jì)算沿用導(dǎo)熱局部熵產(chǎn)率公式。輻射與導(dǎo)熱的傳熱方式不同，其中最為明顯的是輻射與導(dǎo)熱對(duì)溫度的依賴(lài)不同。從不可逆熱力學(xué)的角度來(lái)看，導(dǎo)熱熱流是由局部溫度梯度驅(qū)動(dòng)。熱輻射通常是一長(zhǎng)程現(xiàn)象，輻射熱流密度取決于所考慮的整個(gè)封閉體內(nèi)的溫度分布，而不是由該處的溫度梯度所決定。因此導(dǎo)熱型

2、的熵產(chǎn)公式不適用于計(jì)算輻射熵產(chǎn)，需要發(fā)展新的輻射熵產(chǎn)和輻射損的計(jì)算方法。
　　輻射光束不但攜帶能量而且攜帶熵。宏觀(guān)條件下的熱輻射可認(rèn)為是非相干的。本文結(jié)合熱輻射的自身特性研究了非相干輻射傳遞過(guò)程的基礎(chǔ)熱力學(xué)問(wèn)題，分析了輻射與導(dǎo)熱復(fù)合換熱、高溫受限射流和燃燒過(guò)程中的熵產(chǎn)，并研究了太陽(yáng)光譜輻射的分布。主要工作包括以下五個(gè)方面：
　　(1)對(duì)非相干輻射傳遞過(guò)程進(jìn)行了熱力學(xué)分析，證明了傳統(tǒng)的熵產(chǎn)公式并不適用于計(jì)算輻射換熱過(guò)程產(chǎn)生

3、的熵產(chǎn)。在光譜輻射溫度和光譜輻射熵強(qiáng)度定義式的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了半透明介質(zhì)內(nèi)的輻射熵傳遞方程和新的輻射熵產(chǎn)計(jì)算公式，用離散坐標(biāo)法求解輻射傳遞方程和輻射熵傳遞方程，分析了半透明介質(zhì)內(nèi)的輻射熵產(chǎn)。從系統(tǒng)熱力學(xué)分析的角度證明了新的輻射熵產(chǎn)公式及數(shù)值模擬方法的正確性。此數(shù)值模擬方法可以用于以輻射為主要換熱方式的高溫系統(tǒng)中的熵產(chǎn)分析。
　　(2)分別研究了一維穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)半透明介質(zhì)輻射導(dǎo)熱復(fù)合換熱過(guò)程中產(chǎn)生的熵產(chǎn)，分析了無(wú)量綱參數(shù)對(duì)熵產(chǎn)數(shù)的影響，

4、并從熵產(chǎn)數(shù)的角度分析了系統(tǒng)中的功損，結(jié)果表明隨著輻射―導(dǎo)熱參數(shù)的增大，由導(dǎo)熱過(guò)程的不可逆性導(dǎo)致的功損增大，而由輻射過(guò)程的不可逆性導(dǎo)致的功損減小。隨著光學(xué)厚度、散射反照率和壁面發(fā)射率的增大，由輻射過(guò)程的不可逆性導(dǎo)致的功損增大，而由導(dǎo)熱過(guò)程的不可逆性導(dǎo)致的功損減小。
　　(3)從熱力學(xué)分析的角度分別研究了二維高溫受限射流過(guò)程和甲烷－空氣擴(kuò)散燃燒過(guò)程，結(jié)果表明在利用熱力學(xué)第二定律分析輻射換熱起主要作用的高溫系統(tǒng)時(shí)，不能忽略輻射熵產(chǎn)。分析

5、了玻爾茲曼數(shù)和射流入口雷諾數(shù)等參數(shù)對(duì)熵產(chǎn)和熵產(chǎn)數(shù)的影響，為提高過(guò)程的熱力學(xué)性能提供了理論依據(jù)。
　　(4)在光譜輻射強(qiáng)度定義的基礎(chǔ)上，通過(guò)輻射傳遞方程和輻射熵傳遞方程建立了輻射傳遞方程。分析了半透明介質(zhì)內(nèi)和不透明固體壁面處的輻射損，結(jié)果表明輻射損與輻射熵產(chǎn)間的關(guān)系滿(mǎn)足經(jīng)典熱力學(xué)中的 Gouy-Stodola理論。以?xún)蓚€(gè)平板組成的系統(tǒng)為例分別研究了黑體和灰體輻射，分析了光譜輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)和發(fā)射率的分布，結(jié)果表明光譜輻射

6、強(qiáng)度的峰值波長(zhǎng)和光譜輻射強(qiáng)度的峰值波長(zhǎng)不一致。在同一波長(zhǎng)下，光譜輻射強(qiáng)度隨著發(fā)射率的增大而增大。
　　(5)研究了太陽(yáng)光譜輻射和能質(zhì)因子隨波長(zhǎng)的分布，結(jié)果表明在光電轉(zhuǎn)化裝置等實(shí)際應(yīng)用上，地表直射太陽(yáng)輻射在近紫外線(xiàn)和可見(jiàn)光以及近紅外區(qū)域(0.762–0.931μm)為高品質(zhì)能，而總的地表太陽(yáng)輻射在可見(jiàn)光(大于0.44μm)和近紅外區(qū)域(0.764–0.898μm)為高品質(zhì)能。分析了大氣條件如可凝結(jié)水量、臭氧層總的柱豐度、對(duì)流層污