小论传热学发展史

科学技术史系列讲座

《小论传热学发展史》

为何研究传热？

传热学是研究热量传递过程规律的科学。

在自然界或生产过程中都存在着温差，热量将自发地由高温物体传递到低温物体，热传递就此成为了一种极为普遍的物理现象。因此，传热学有着十分广泛的应用领域。就各类工业领域而言，诸如锅炉及换热设备的设计以及强化换热和节能而改进锅炉及其他换热设备的结构；化学工业生产中，为了维持工艺流程的温度，要求研究特定的加热、冷却以及余热的回收技术；电子工业中解决集成集成电路或电子仪器的散热方法；机械制造工业测算和控制冷却加工或热加工中机件的温度场；交通运输业在东突地带修建公路；核能、航天等尖端技术中也存在大量的传热问题需要解决。太阳能、地热能、工业余热利用及其他可再生能源工程中高效能化热器的开发和设计等；应用传热学知识指导强化传热及削弱传热达到节能的目的。因此，传热学已是现代技术科学的主要技术基础学科之一。近几十年来，传热学的成果对各部门技术进步起了很大的促进作用，而传热规律的深入研究，又推动了学科的发展。

热能传递规律主要是指单位时间内所传递的热量与物体中相应的温度差之间的关系，反映这种规律的第一层次的关系式成为热量传递的速率方程；而反映这种规律的更深层次的研究是要找出不同条件下物体中各点的温度分布。

传热学基本发展历史概述

传热学这一门学科是在18 世纪30 年代英国开始的工业革命使生产力空前发展的条件下发展起来的。传热学的发展史实际就是：导热、对流、热辐射三种传方式的发展史。导热及对流早为人们所认识，而热辐射是在1803 年才确认的。

导热

确认热是一种运动的过程中，科学史上有两个著名的实验起着关键作用

●1798 年伦福特钻炮筒大量发热实验

●1799 年戴维两块冰块摩擦生热化成水的实验

19 世纪初，兰贝特、毕渥、傅里叶等都从固体一维导热的试验入手研究，1804 年毕渥根据试验提出：单位时间通过单位面积的导热量正比于两侧表面温差，反比于壁厚，比例系数是材料的物理性质。这一规律提高对导热规律的认识只是

粗糙些。1807 年傅里叶特别重视数学工具的运用，把实验与理论结合起来，提出求解微分方程的分离变量法和可以将解表示成一系列任意函数的概念，得到学述界的重视。特别是1822 年论著《热的解析理论》完成了导热理论的任务，提出的导热基本定律“傅里叶定律”，导热微分方程，傅里叶级数正确地概括了导热实验的结果。使他成为导热理论的奠基人。

对流

流体流动理论是对流体换热理论必要的前提。1823 年纳维提出不可压缩流体流动方程。1845年，英国斯托克斯将其修改为纳维—斯托克斯方程，形成流体流动基本方程。其特点：是复杂，适用范围小，只适于简单流动，发展较困难。1880年，雷诺提出一个对流动有决定性影响的无量纲物理量雷诺数。通过实验发现管内层流→ 湍流转变时，雷诺数在1800~2000 之间。在雷诺的基础上，1881 年洛仑兹获得自然对流解。1885 年格雷茨和1910 年努塞尔获得管内换热的理论解。1916 年努塞尔凝结换热理论解又获得。分别对其对应的理论有所贡献，但进展不大。特别是1909 年和1915 年努塞尔的论文对强制对流和自然对流的基本微分方程及边界条件进行量纲分析获得了有关无量纲数之间的准则关系。促进行了对流换热研究的发展，他的成果具有独创性，于是，他成为发展对流换热理论的杰出先驱。在微分方程的理论求解上，在以下两方面发挥了作用

●普朗特于1904 年提出的边界层概念。观点：低粘性流体只有在横向速度

梯度很大的区域内才显示粘性的影响。该范围主要处在与流体接触的壁面附近，而其它区域则可以当作无粘性流体处理。在流动边界层概念的启发下，1921 年波尔豪森又引进了热边界层的概念。1930 年波尔豪森与数学家施密特，贝克曼合作，成功地求解了坚壁附近空气的自然对流换热

●湍流计算模型的发展，有力地推动了传热学理论求解向纵深方向发展。近代

发展中，麦克亚当、贝尔特和埃克特先后作出了重要贡献。

热辐射

在其早期研究中，认识黑体辐射的重要性并用人工黑体进行实验研究对于建立热辐射理论具有重要作用。

19 世纪斯忒藩通过实验确立了黑体的辐射能力正比于它的绝对温度的四次方的规律。后来该定律在理论上被波耳兹曼证实，从而形成斯忒藩- —波耳兹曼定律。以后在物体之间辐射热量交换方面有两个重要的理论问题：

物体的发射率与吸收比之间的关系问题

1859 年，1860 年基尔霍夫的两篇论文作了解答

物体间辐射换热的计算方法

由于物体间辐射换热是一个无穷反射逐次减弱的复杂物理过程，计算方法的研究

有其特殊性，先后出现了以下几种：

●1935 年波略克的净辐射法

●1954 年，1967 年霍尔特的交换因子法；

●1956 年奥本亥姆的模拟网络法。这三种方法对完善热辐射换热的复杂

计算作出了贡献。

数值计算

随着科学技术的发展，特别是计算机的发展用数值方法解决传热问题取得重大突破。20世纪70年代形成一个新兴分支——数值传热学。

总结

20世纪以前，传热学是作为物理热学的一部分而逐步发展起来的。20世纪以后，传热学作为一门独立的技术学科获得迅速发展，越来越多的与热力学、流体力学、燃烧学、电磁学和机械工程学等一些学科相互渗透，形成多相传热、非牛顿流体传热、燃烧传热、等离子体传热和数值计算传热等许多重要分支。

传热学在生产技术发展中已成为一门理论体系初具完善、内容不断充实、充满活力的主要的基础科学，高参数大容量发电机组的发展、原子、太阳、地热能的利用，航天技术、微电子技术、生物工程的发展，而传热学的发展又促进生产技术的进步发展，同时，随着生产技术及新兴科学技术的发展，又向传热学提出了新的挑战和新的研究课题。

个人心得体会

对于茫茫题海，却不知如何下手选题，原本想写关于十六世纪西方技术发展的，但是却发现自己对这方面的领域知之甚少，之后又想写中国古代技术发展史的，但是与前者一样，有着想法，却不能将其化为文字。果然，平时闲谈扯淡与撰写相对严谨的史料论文是不能相提并论的。

作为一名热能工程系的学生，自然而然便对“热”这方面多少会有一些兴趣，于是便结合自己感兴趣的领域进行论文撰写。目前正在上一门叫做《炉内传热》的课，而任课的张衍国老师也对传热学在工程学中的利用加以了生动的阐述，让我不禁对传热学的发展历史有了更大的兴趣。

对于传热学中所获得的各种结论，限于篇幅，在这里也不能加以叙述，但是，结论的得出方法和实验方法是值得我们学习和探究的。众所周知的，对于我们身边众多事务，至今依然没有完善的物理数学模型来进行相应的描述，而面对这样的情况，科学家们纷纷寻找着答案，希望能得出合理的解释。而在传热过程中，以对流传热最为不靠谱，至今没有合理的方法来对对流换热进行描述，为了解决这样的一个困难，只能以大量的实验数据进行拟合，进行分段处理，这就是我们常说的工程经验数据拟合。很显然的，这个东西只是建立在实验数据的基础上，对