Stefan-Boltzmann常数 — CAE术语解说
Stefan-Boltzmann常数
辐射传热的式子里出现「σ」,Stefan-Boltzmann常数到底是什么常数呢?
σ = 5.67×10⁻⁸ W/(m²·K⁴),将黑体(完全辐射体)表面辐射的能量与温度联系起来的物理常数。黑体的辐射功率为 P = σAT⁴,与温度的四次方成正比。也就是说,温度增加2倍,辐射量就会增加16倍。
定义
温度的四次方,相比对流和传导来说,非线性程度非常高呢?
完全同意。因此辐射在低温下可以忽略不计,但随着温度升高,其影响越来越主要。例如室温(约300K)的辐射并不大,但钢铁熔液(1500℃≈1773K)则辐射就成了传热的主角。熔炉炉壁设计中,如果不做辐射计算,就无法准确预测温度分布。
热分析中的作用
用FEM做热分析时包含辐射,Stefan-Boltzmann常数用在哪儿呢?
在设置辐射边界条件时用。实际的物体不是完全黑体,所以用 q = εσ(T⁴ - T_surr⁴) 这个式子,乘以辐射率ε(0~1)。例如氧化的不锈钢 ε≈0.85,抛光的铝 ε≈0.05。辐射率的设定对辐射传热量影响很大,所以要好好确认材料表面状态。
辐射项作为热传导方程的边界条件输入。T⁴的非线性特性要求迭代计算。
大概多少温度开始需要考虑辐射?有没有参考值?
一般来说,表面温度在200℃以上时,考虑辐射就有价值。500℃以上就必须考虑了。不过在宇宙环境中,对流完全不存在,即使低温也只有辐射是唯一的散热方式,与温度无关都需要用到。
相关术语
请告诉我与Stefan-Boltzmann常数相关的概念。
辐射率和视角因子是辐射计算的必要参数。要和辐射传热的基础一起理解。
T⁴的非线性会影响收敛过程呢。200℃以上考虑辐射,这个参考值我记住了。
还有,辐射率ε因表面涂装和氧化状态而大幅变化。设计变更涉及表面处理时,也要重新检查辐射计算。这是容易被忽视的地方。
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