传热学

传热学
摘要：
传热学是研究由温度差异引起的热量传递过程的科学。

生成生活中，传热学应用广泛存在。

对传热学的研究虽然由来已久，但其任然有着活力，虽然目前在一些行业取得了一定的成功，但是任然任重而道远，特别是当今基础工业，装备行业快速发展的时代犹是如此。

关键词：传热学温度差装备
一传热学的发展
传热现象在我们的日常生活中十分普遍，不管是冬天取暖，还是夏天吹凉，不管是家里烧水，亦或是工厂炼油换热等，所有的这些现象无不包涵着传热学的相关知识。

早在1822年, 傅里叶根据大量的实验观察总结出了著名的导热公式即傅里叶导热定理，并在他的划时代名著—《热的解析理论》中通过严密的数学演绎奠定了现有热传导理论基础。

从傅里叶导热定理出发,可以导出多维稳态和瞬态热传导方程[1]。

由于对流换热的复杂性,人们更多的是采用实验的方法,其主要思路是利用N一S方程和能量方程,导出一些无量纲参数,利用大量的实验数据,拟合出无量纲数之间的准则关系式,并且根据相似理论,对相似理论进行推广使用来求解。

Prandil观察到对流过程中在贴近壁面处有一蠕动的薄层,大胆提出了边界层理论,使得流体力学基本问题得到解决,对流换热的研究从而进人了理论化阶段。

热传递的三种基本方式
1 热传导
热传导的定义：热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式。

目前热传导是三种传热方式中研究得最为深刻和最理论化的一种[2]。

热传
导是指热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象。

它是固体中热传递的主要方式，在不流动的液体或气体层中层层传递，在流动情况下往往与对流同时发生。

热传导实质是由大量物质的分子热运动互相撞击，而使能量从物体的高温部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体的过程。

在固体中，热传导的微观过程是：在温度高的部分，晶体中结点上的微粒振动动能较大。

在低温部分，微粒振动动能较小。

因微粒的振动互相联系，所以在晶体
内部就发生微粒的振动，动能由动能大的部分向动能小的部分传递。

在固体中热的传导，就是能量的迁移。

在金属物质中，因存在大量的自由电子，在不停地作无规则的热运动。

一般晶格震动的能量较小，自由电子在金属晶体中对热的传导起主要作用。

在液体中热传导表现为：液体分子在温度高的区域热运动比较强，由于液体分子之间存在着相互作用，热运动的能量将逐渐向周围层层传递，引起了热传导现象。

由于热传导系数小，传导的较慢，它与固体相似，因而不同于气体；气体依靠分子的无规则热运动以及分子间的碰撞，在气体内部发生能量迁移，从而形成宏观上的热量传递。

当物体内的温度分布只依赖于一个空间坐标，而且温度分布不随时间而变时，热量只沿温度降低的一个方向传递，这称为一维定态热传导
一维稳态热传导
∂t/∂T=a（(∂tx^2)/(∂x^2 x)+(∂tx^2)/(∂^2 x)+(∂t^2)/(∂z^2 )）+(∅v)/Pc 热传导方程是一个二阶偏微分方程,热传导方程是一个抛物偏微分方程。

能量方程式
h∙ρ∙dx t−tf=−φv∙Ac∙dx
(d^2 t)/(dx^2 )=−hp/γAc=0
一维非稳态热传导
∂t/∂τ=a(∂^2 y)/(∂x^2 )
τ=0 t=t0
x=0 dt/dx=0
x=δ−γ dt/dx=h（t−tf）
对于二维、三维等更复杂的热传导，难以用解析法求解，一般可用数值法求解，或者采用数值模拟软件进行计算。

2 热对流
对流传热是一个情况复杂、影响因素众多的热量传递过程,多种条件会影响传热效率。

对流是液体和气体中热传递的主要方式，气体的对流现象比液体明显。

对流可分自然对流和强迫对流两种。

自然对流往往自然发生，是由于温度不均匀而引起的。

强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。

对流传热的基本计算公式是牛顿冷却定律：
hA t
Φ=∆或q h t
=∆
自然界中的热对流普遍具有极高的Ｒａ，湍流热对流的传热效率可以用Ｎｕ来表示。

作为ＲＢ系统重要的响应参数,Ｎｕ可以看成系统控制参数Ｒａ,Ｐｒ和Γ的函数,即Ｎｕ=Ｎｕ(Ｒａ,Ｐｒ,Γ)。

当流体静止时,系统仅通过热传导传热,此时Ｎｕ=1;当对流发生时,流体的对流使得传热效率急剧增加,此时Ｎｕ是Ｒａ的函数,随着Ｒａ的增大而增大。

人们一般认为,ＲＢ系统的控制参数和响应参数之间存在着简单的标度律关系,对于Ｎｕ=Ｎｕ(Ｒａ,Ｐｒ)而言,这个关系可以写成Ｎｕ～ＰｒαＲａβ[4]。

流动的状态分类可以影响其传热效率，从流体力学已经知道，流体的流动状态分为层流和湍流及介于二者之间的过渡流。

换热面的几何特征将对流传热过程产生影响，其可分为内部流动的对流传热和外部流动的对流传热。

换热过程有无相变也将对传热效率产生影响，可分为无相变的对流传热；若在换热过程中出现了相态的变化，则称为有相变的对流传热。

对流换热的影响因数：流体的性质对传热过程必定有很大的影响。

影响换热的流体性质主要包括导热系数、密度、比热容、粘度和体积膨胀系数等。

对流传热问题求解的目标是确定表面传热系数。

在得到了对流传热问题完整的数学描述之后，就可以对该数学描述进行理论求解。

例如对不可压缩二维对流传热问题，共五个方程、五个未知数，方程组是封闭的，可以进行理论求解。

同时由于动量方程(N—S方程)的复杂性和高度非线性，求解问题往往十分复杂。

直到普朗特提出了著名的边界层理论，并利用该理论对N—S方程做了实质性的简化之后，才使求解这个问题的理论求解成为可能。

对流传热问题的主要研究方法有以下几种：
1）实验研究法
在相似原理的指导下，通过实验获得表面传热系数的计算式是目前工程计算的主要依据。

实验法是最早使用的研究对流传热问题的方法，直到目前仍是研究对流传热问题最主要、最可靠的方法。

2）数值解法
数值解法是借助于计算机用数值方法对描述对流传热问题的数学模型进行求解的方法。

近几十年来，随着计算机性能的提高和算法的完善，这种方法日益显示其重要作用，是一种很有前途的计算方法。

3）分析解法
分析解法是建立起某一类对流传热问题的数学描述(通常由偏微分方程及相应的定解条件组成)，然后通过数学手段求解数学描述得到速度场和温度场的分析解的方法。

由于数学上的困难，目前只能得到少数简单问题的分析解。

分析解能深刻揭示出表面传热系数与各变量的依变关系，同时也是评价其他方法所得结果的标准和依据。

4）比拟法
比拟法是指通过研究动量传递和热量传递的共性或相似特征，建立起表面传热系数与阻力系数之间关系的方法。

借助于相对成熟的动量传递理论，利用比拟法可以通过比较容易测定的阻力系数来获得湍流对流传热的表面传热系数。

比拟法是解决工程湍流换热问题的有效方法之一。

但随着实验技术和计算机技术的发展，近年来这一方法已较少应用。

3 热辐射
物体因自身的温度而具有向外以电磁波的形式发射能量的本领，这种热传递的方式叫做热辐射。

热辐射虽然也是热传递的一种方式，但它和热传导、对流不同。

它能不依靠媒质把热量直接从一个系统传给另一系统。

热辐射以电磁辐射的形式发出能量，温度越高，辐射越强。

描述辐射能传输过程的基本方程为辐射传递方程.包括数值模拟方法,线踪迹-节点分析法;有限元谱元法等。

随着科学研究和工程应用对热辐射计算精度的不断提高，对计算热辐射学的研究提出了更高的要求。

今后计算热辐射学方面研究的重点包括: 1）辐射传递方程数值离散误差的理论分析方法研究;
2）射线效应和假散射抑制方法的研究;
3）工程湍流辐射模型的研究;
4）大尺度空间辐射传递的多尺度和并行算法研究;
5）瞬态辐射传递和矢量辐射传递过程的数值模拟方法研究[3]。

应用
近年来,随着计算机技术和计算技术的飞速发展,国外有关科研人员在对数值传热学的实际应用和工程中复杂流动的计算研究取得了许多进步,特别是工程中换热设备的内部流动和传热耦合问题取得了一定的进展。

同时,大量的针对传热强化的实验研究工作和复杂流场的可视化研究也取得了大量的研究成果。

结语
传热学的未来发展必须从以下几个方面来考虑:传热学的进一步发展需要创造性的理论思维，现有传热学的研究对象以宏观现象为主,如传热量、温度和压力等都是宏观热力学参数。

传热学的研究应从宏观到微观、从平均到瞬时、从现象分析到机理来进行研究，由传统的单一性向多样化转变。

传热学的研究内容应由传统的单一性向多样化转变。

当前传热学主要向非平衡传递过程方向进行研究。

传热学是多学科相互交叉的学科，包括信息科学、生命科学、材料科学等,这些学科的发展为传热学的研究提出了许多新的课题,产生了许多新的传热分支,如分子传热学、微尺度传热学、生物传热学等学科。

传热学的最新动态研究主要包括生物医学传热，微细尺度传热学，现代电子器件冷却方法, 多相流的传热传质等,虽然目前在这些领域取得了一定的成果，但任务任然任重而道远。

参考文献
[1] 柴立和,蒙毅,彭晓峰.传热学研究及其未来发展的新视角探索,1998
[2] 张洪济.热传导.北京:高等教育出版社,1994
[3] 谈和平,刘林华,易红亮,赵军明,齐宏,谭建宇,计算热辐射学的进展,2009
[4] 周全,孙超,郗恒东,夏克青,湍流热对流中的若干问题,2007。