1. 课程导入与热辐射交换问题界定
热辐射是三种基本传热方式中唯一不需要介质即可传递能量的方式，也是高温工程问题中往往占据主导地位的能量输运机制。在锅炉炉膛、工业加热炉、燃气轮机燃烧室、航天器热控、建筑围护结构以及电子器件散热等场景中，辐射换热量常常与对流传热同量级甚至更大。然而，与导热和对流相比，辐射交换的建模难度显著更高：它涉及方向性、光谱依赖、表面几何遮挡以及介质参与吸收与发射，任何一个环节处理不当都会带来系统性偏差。本课程的核心任务，就是建立一套从物理问题界定、模型选择、数值实现到结果验证的完整方法链条。
一、热辐射交换模型的核心对象
辐射换热问题的本质是“表面或介质之间通过电磁波进行的能量交换”。要把它转化为可计算的模型，必须明确四类核心对象。第一类是参与交换的表面，包括其几何形状、面积、空间朝向以及表面辐射特性（发射率 ε、吸收率 α、反射率 ρ，且满足 ε+ρ+α=1，对不透明灰体有 α=ε）。第二类是参与性介质，如燃烧产物中的 CO₂、H₂O、烟尘颗粒，它们会吸收、发射和散射辐射，使问题从纯表面交换升级为体积辐射问题。第三类是辐射源与边界条件，例如高温火焰、加热元件、外部太阳辐照或低温冷壁，它们决定了能量输入的强度和方向。第四类是几何可见关系，即哪些表面之间“能互相看见”，这由角系数（view factor）Fij 描述，是表面辐射模型中最关键的几何量。
需要特别强调参照约定：本课程统一采用“表面 i 向表面 j 的角系数 Fij 表示 i 发射的辐射能中直接到达 j 的份额”，并约定净辐射热流以“离开表面为正、进入表面为负”。所有公式、图示与算例均遵循这一约定，后续章节不再重复说明。
二、典型工程场景与问题特征
不同工程场景对辐射模型的要求差异很大，界定问题时应先判断其属于哪一类。对于封闭腔内的表面辐射交换（如炉膛内壁、真空腔体），若介质透明，可采用灰体表面封闭腔模型，核心工作是计算角系数并求解有效辐射方程组。对于含参与性介质的高温烟气通道，必须引入辐射传递方程（RTE），并考虑气体的吸收系数随波长和温度的变化，此时常用离散坐标法（DOM）或蒙特卡洛法。对于开放环境中的辐射（如太阳能集热器、户外设备散热），则需处理天空背景辐射与太阳直射的分离。工程上还需关注耦合效应：辐射往往与对流、导热同时发生，表面温度由三者共同决定，因此辐射模型通常不能孤立求解，而要与流场和导热求解器耦合迭代。
三、从物理问题到数值验证的总体路线
本课程贯穿始终的主线是“物理问题 → 数学模型 → 数值离散 → 程序实现 → 结果验证”。物理问题阶段要明确对象、边界和物性；数学模型阶段要写出控制方程（表面辐射的有效辐射方程或介质辐射的 RTE）及其离散形式；数值离散阶段要处理角系数积分、方向离散和空间离散；程序实现阶段要保证能量守恒和收敛判据合理；结果验证阶段则通过解析解、极限工况和能量平衡三类手段检验模型可信度。下图给出了这一总体路线及其关键输入输出关系。
四、数值验证目标的具体含义
“验证”不是简单看一眼云图是否合理，而是要有可量化的判据。本课程设定三类验证目标。第一类是与解析解或基准解对比：例如两个无限大平行灰板之间的辐射换热有闭式解，若数值模型在该构型下的相对误差控制在 2% 以内，可认为离散与角系数计算基本正确。第二类是物理守恒性检验：封闭腔中所有表面的净辐射热流代数和应为零（无内热源时），角系数矩阵应满足 ΣjFij=1 和 AiFij=AjFji 的互换性，这些是模型自洽的必要条件。第三类是网格与方向无关性：逐步加密空间网格和方向离散数，当结果变化小于设定阈值（如 1%）时认为达到收敛。三类判据互相独立，只有同时满足，模型才具备工程可信度。