黑体 — CAE用语解说

黑体（Blackbody）是指完全吸收所有波长的辐射（吸收率=1），且最大限度地放射热的理想物体。Stefan-Boltzmann法则 q = sigma * T^4 是黑体的辐射热流密度与温度的四次方的关系式，sigma是5.67×10^-8 W/m^2K^4的Stefan-Boltzmann常数。实际的材料不是黑体，而是"灰体"（发射率 = epsilon < 1）——例如抛光不锈钢表面epsilon ≈ 0.1，氧化铁epsilon ≈ 0.8。在FEM辐射分析中，需要在边界条件中指定发射率epsilon（或辐射热传递系数hr = epsilon * sigma * (T^2+T_inf^2)*(T+T_inf)），并将Stefan-Boltzmann方程作为非线性边界条件求解。

非常重要，在某些条件下甚至是主导的。在真空中（太空）对流不存在，辐射是唯一的热传递方式。人工卫星的温度管理由"太阳入射辐射 vs 自身辐射"的平衡决定，太阳能电池板和卫星本体的放射率和吸收率设计是热设计的核心。在地球上，高温炉（1000℃以上）中由于辐射热流密度与T^4成正比而急剧增加，钢铁加热炉、航空发动机燃烧室、陶瓷烧结炉中的辐射会超过对流和传导成为主要热传递方式。Abaqus和Ansys的radiation boundary condition（辐射边界条件）和Viewfactor法（预先计算FormFactor）都可以处理这些问题。