黒体 — CAE用語解説

黒体（Blackbody）はすべての波長の放射を完全に吸収し（吸収率=1）、かつ最大限に放射する理想的な物体だ。Stefan-Boltzmann法則 q = sigma * T^4 は黒体からの放射熱流束を温度の4乗で表す式で、sigmaは5.67×10^-8 W/m^2K^4のStefan-Boltzmann定数。実際の材料は黒体ではなく「灰色体（emissivity = epsilon < 1）」として扱う——例えばステンレスの研磨面はepsilon ≈ 0.1、酸化した鉄はepsilon ≈ 0.8。FEM輻射解析では境界条件に放射率epsilon（または放射熱伝達係数hr = epsilon * sigma * (T^2+T_inf^2)*(T+T_inf)）を指定して、Stefan-Boltzmann式を非線形境界条件として解くよ。

非常に重要で、ある条件では支配的になる。真空中（宇宙）では対流がないから、輻射が唯一の熱移動手段だ。人工衛星の温度管理は「太陽からの入射輻射 vs 自身からの放射」のバランスで決まり、太陽電池パネルと機体の放射率・吸収率の設計が熱設計の核心だ。地球上でも高温炉（1000℃以上）では輻射熱流束がQ ∝ T^4で急増するから、鉄鋼の加熱炉・航空機エンジンの燃焼器・セラミック焼成炉では輻射が対流・伝導を上回る熱移動モードになる。AbaqusやAnsysのradiation boundary conditionや、FormFactorをプリ計算するViewfactor法がこれらに対応するよ。