传热学的发展及应用1页码

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1、传热学的发展及应用卜康龙摘要：传热学从形成到现在已经经丿力了儿个世纪，取得了许多成就，且越來越多的与其它学科相互交叉，如：航空航天、生物医学、工业生产等，由于问题的复朵化和多样化，不断有新的研究方法、新的技术以及新的理论被运用其中。关键词：传热学；传热方式；发展历程；微尺度传热传热学是一门研究由于冇温度差异而引起的能量传递过程的规律及其具体应用的学科。热和冷是人们熟知的一对固有矛盾。而热量的传递，则是最常见的自然现彖之一。自发的传热，永远使对立的冷热双方各向自C的反面转化：原先温度比较高的，将因传走热量而逐渐冷却，表现为温度下降或者气体冷凝和液

2、体凝固，原先温度比较低的，则因得到热量而逐渐被加热，表现为温度升高或者固体熔化和液体蒸发。无论固体液体或者气体，只要和互Z间或者内部各部分Z间存在温度差界,就会出现传热。通常认为传热可有三种在本质上互不相同的基本方式：热传导（导热）、热对流和热辐射。热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体屮温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位,或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。工程上广泛遇到的对流换热，是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果。

3、决定换热强度的主要因素是对流的运动情况。热辐射是指物体因自身具有温度而辐射岀能量的现象。它是波长在0.1〜100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量叮以在没有中间介质的真空中直接传递。太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热。实际传热过程一般都不是单一的传热方式，如火焰对炉壁的传热，就是辐射、对流和传导的综合，而不同的传热方式则遵循不同的传热规律。为了分析方便，人们在传热研究中把三种传热方式分解开来，然后再加

4、以综合。1传热的发展历程传热学作为学科形成于19世纪。导热和对流两种基木热量传递方式早为人们所认识，第三种热量传递方式则是在1803年发现了红外线才确认的，它就是热辐射方式。三种方式基木理论的确立则经历了各自独特的历程。在批判〃热素说〃确认热是一种运动的过程中，科学史上的两个著名实验起着关键作用。其一是1798年伦福特钻炮筒大量发热的实验，其二是1799年戴维两块冰块摩擦生热化为水的实验。确认热来源于物体本身内部的运动开辟了探求导热规律的途径。19世纪初，兰贝特、毕渥和傅里叶都从固体一维导热的实验研究入手开展了研究。1804年毕渥根据实验提出了

5、一个公式，认为每单位时间通过每单位面积的导热热量正比例于两侧表面温差，反比例于壁厚，比例系数是材料的物理性质。这个公式提高了对导热规律的认识。1807年他捉出了求解场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，得到学术界的重视。1812年法国科学院以〃热量传递定律的数学理论及理论结果与精确实验的比较〃为题设项竞奖。经过努力，傅里叶于1822年发表了他的著名论著〃热的解析理论〃，成功地完成了创建导热理论的任务。他提出的导热定律止确概括了导热实验的结果，现称为傅里叶定律，奠定传热学的发展及应用了导热理论的基础。他从傅里叶定律和能量守恒

6、定律推出的导热微分方程是导热问题正确的数学描写,成为求解大多数工程导热问题的出发点。他所提出的采用无穷级数表示理论解的方法开辟了数学求解的新途径。傅里叶被公认为导热理论的奠基人。在傅里叶Z后，导热理论求解的领域不断扩大，许多学者作出了贡献，其中，雷曼、卡斯劳、耶格尔和亚科布等人的工作值得重视。在热对流方面，英国科学家牛顿于1701年在估算烧红铁棒的温度时，提出了被后人称为牛顿冷却定律的数学表达式，不过它并没有揭示出对流换热的机理。流体流动的理论是对流换热理论的必要前提。1823年纳维提出的流动方程町适用于不可压缩性流体。此方程1845年经斯托克

7、斯改进为纳维—斯托克斯方程，完成了建立流体流动基本方程的任务。然而，由于方程式的复杂性，只有很少数简单流动能进行求解，发展遇到了困难。这种局面一直等到1880年雷诺提出了一个对流动有决定性影响的无量纲物理量群Z后才冇改观。这个物理量群后被称为雷诺数。在1880至1883年间雷诺进行了大量实验研究，发现管内流动层流向湍流的转变发生在雷诺数的数值为1800至2000之间，澄清了实验结果Z间的混乱，对指导实验研究作出了重大贡献。比单纯流动更为复杂的对流换热问题的理论求解进展不大。1881年洛仑兹口然对流的理论解，1885年格雷茨和1910年努谢尔特管

8、内换热的理论解及1916年努谢尔特凝结换热理论解分别作出了贡献，只是为数不多。具有突破意义的进展耍推1909和1915年努谢尔特两篇论文的贡献。他对强