熱モデルで輻射熱負荷を処理する場合, 入射輻射熱が表面とどのように相互作用するかを注意深く理解する必要があります. 屈折要素を持たない系を扱う場合, 伝熱モジュール内の 表面間輻射 インターフェースの機能により, 拡散反射と鏡面反射, 吸収, および透過の両方を処理することができます. 以降でさらに詳しく説明します.
このブログは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用した輻射伝熱のモデリングに関するシリーズのパート2です. ここから パート1 とパート3を読んでください.
表面に入射する赤外放射
灰色体輻射を扱っているので, 次の関係から始めます. \alpha + \rho_d +\rho_s = 1 と, 2つの特性の観点から表面の動作を説明します.
- 放射率のモデリングに関するブログで紹介されているように, 完全な放射源と比較した, 表面から放出される放射の比率である放射率 \epsilon
- 拡散反射率 \rho_d
表面吸収率は放射率 \alpha = \epsilon に等しいため, 鏡面反射率は \rho_s = 1-(\alpha + \rho_d) なります. 吸収率がゼロの場合はすべての輻射が反射され, \alpha = 1 はすべての輻射が吸収されることを意味します. 実際の材料では, これらは近似的な限界になりますが, 完全な吸収体または完全な反射体 (拡散反射または鏡面反射のいずれか) の概念がモデリングの目的に役立つ場合があります.
次の図は, 入射コリメートされた放射流束の場合を示しています.
- 完全吸収
- 吸収を含む拡散反射
- 吸収を含む鏡面反射
- 吸収, 拡散反射, 鏡面反射
吸収率 (放射率) と拡散反射率のさまざまな組み合わせで表面に入射するコリメート放射のビーム. 表面温度がゼロでないため, これらの図から放出は省略されています.
鏡面反射のモデリングでは, 表面間輻射 インターフェース内で レイシューティング 法を使用する必要があります. この方法を使用すると, 不透明表面 機能により, 拡散反射率と表面放射率を入力できます. 表面放射率 (吸収率) には, 角度依存性を含めることができます. 他の方法である 直接面積積分 法 (形態係数を妨げるものがない小さなモデルにのみ使用される) と ヘミキューブ 法は, 鏡面反射を許可しません. したがって, これらは拡散表面機能のみを提供します. これにより, 放射率を入力し, \rho_d = 1-\epsilon から拡散反射率を計算できます. これから説明する例では, 関心のあるすべてのケースに対応できるため, レイシューティング 法のみを使用します.
直感的に理解するために, 以下に示すような真空チャンバーの熱モデルを考えてみましょう. このチャンバーには2つの部分があり, 小さい方には赤外線 (IR) 光を放出する高温の物体が含まれています. 狭い開口部は, この輻射の少しを通過させて, チャンバーの他の部分を照らします. この入射輻射熱が中央に置かれた物体によってどのように吸収され反射されるかを見ていきます. 開口部が長くて狭いため, 熱輻射はほぼ平行に通過します.
2つのセクションと, ほぼ平行な熱放射をある程度通す小さな開口部を持つ真空容器.
チャンバーの壁は放射率 (吸収率) が 1 に設定されており, 0 K の温度に固定されているため, 中央の物体から反射された輻射の完全な吸収体として機能します. 我々は, 入射輻射と表面との相互作用の計算にのみ興味があり, 固体内の熱伝導などの他の伝熱形態のモデル化は避けたいため, 表面間輻射 インターフェースのみを使用し, モデルから 伝熱 (固体) インターフェースを省略します.
また, 対象部の温度を 0 K に固定し, それ自体が輻射しないようにします. これは少し人工的なものですが, 高温部分から放出された放射がどのように吸収され, ターゲット部分で反射されるかにのみ焦点を当てることができます.
混合鏡面/拡散面の設定. 温度を 0 K に設定すると, 表面自体が放射されなくなります.
以下のプロットは, 設定のさまざまな組み合わせの下で, 底面で反射され, チャンバー壁によって吸収された放射を示しています. 見てのとおり, 吸収率と拡散反射率によってパターンが異なります.
チャンバーの壁の熱放射のプロット. これは, 熱放射がターゲットパーツでどのように反射されるかを示しています. 左から右へ: 完全吸収, 拡散反射, 鏡面反射, 拡散鏡面混合反射.
曲面からの鏡面反射のモデリング
次に, モデルを修正し, 下図のように, 完全に鏡面反射する円形の物体を中央に配置します. 入射光は周囲のチャンバーの壁に反射しますが, この反射を正確にモデル化するには, 幾何学的な離散化次数を上げる必要があります. この設定は場の離散化とは別であり, 以下のスクリーンショットに示すように, 2つの設定変更が必要です. これらの設定は レイシューティング 法にのみ影響します.
レイシューティング で使用されるジオメトリ形状に影響するコンポーネントレベルの設定.
高次メッシュ要素を有効にすると, ジオメトリの離散化次数を使用して反射が計算されます.
表面間輻射 インターフェースのデフォルトの離散化は線形であり, 円形の物体はファセット面として扱われ, 各要素境界は小さな平面鏡として表現されることに注意してください. すべて, または大部分の面が平面である限り, これは問題ありません. ただし, 曲面からの大きな反射が予想される場合は, 反射輻射の分布がより滑らかになるように, 幾何学的な離散化次数を上げる必要があります.
線形, 2次, 3次ジオメトリの離散化を使用して, 小さな円形の物体から反射された輻射のプロット.
おわりに
ここまで, 不透明および半透明な表面からの輻射の反射と, 曲面反射境界をシミュレートするためのモデリング上の考察について見てきました. 輻射伝熱のモデリングに関するこのブログシリーズのパート1 輻射伝熱における放射率のモデリング で取り上げられているように, 放射の吸収と反射は, 有限温度での表面からの輻射の放出と同時に発生することに注意してください.
ソフトウェアが表面間の放射交換を正確に計算する方法は今回は取り上げませんでした. この計算を理解するためには, 次回の記事で取り上げる形態係数の概念を確認する必要があります. ご期待ください.
編集者注: 本ブログ記事は2025年12月23日に更新されました. 曲面からの鏡面反射を正確にモデル化するために必要な設定について説明が追加されました.
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