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传热学的发展及应用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历了几个世纪，取得了许多成就，且越来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，由于问题的复杂化和多样化，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有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象之一。自发的传热,永远使对立的冷热双方各向自己的反面转化: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,只要相互之间或者内部各部分之间存在温度差异,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，热量从物体中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。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出能量的现象。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，热量可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。导热和对流两种基本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。三种方式基本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年他提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。他提出的导热定律正确概括了导热实验的结果，现称为傅里叶定律，奠传热学的发展及应用2定了导热理论的基础。他从傅里叶定律和能量守恒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。在傅里叶之后，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可适用于不可压缩性流体。此方程1845年经斯托克斯改进为纳维—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之后才有改观。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，澄清了实验结果之间的混乱，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年洛仑兹自然对流的理论解，1885年格雷茨和1910年努谢尔特管内换热的理论解及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要推1909和1915年努谢尔特两篇论文的贡献。他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原则关系。开辟了在无量纲数原则关系正确指导下，通过实验研究求解对流换热问题的一种基本方法，有力地促进了对流换热研究的发展。考虑到量纲分析法在1914年才由白金汉提出，相似理论则在1931年才由基尔皮切夫等发表，努谢尔特的成果有其独创性。努谢尔特于是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，两个方面的进展发挥了重要作用。其一是普朗特于1904年提出的边界层概念。他认为，低粘性流体只有在横向速度梯度很大的区域内才有必要考虑粘性的影响，这个范围主要处在与流体接触的壁面附近，而其外的主流则可以当作无粘性流体处理。这是一个经过深思熟虑、切合实际的论断。在边界层概念的指导下，微分方程得到了合理的简化，有力地推动了理论求解的发展。1921年波尔豪森在流动边界层概念的启发下又引进了热边界层的概念。1930年他与施密特及贝克曼合作，成功地求解了竖壁附近空气的自然对流换热。数学家与传热学家合作，发挥各自的长处，成为科学研究史上成功合作的范例。其二是湍流汁算模型的发展。1925年的普朗特比拟，1939年的卡门比拟以及1947年马丁纳利的引伸记录着早期发展的轨迹。由于湍流问题在应用上的重要性，湍流计算模型的研究随着对湍流机理认识的不断深化而蓬勃发展，逐渐发展成为传热学研究中的一个令人瞩目的热点。它也有力地推动着理论求解向纵深发展。还应该提到，在对流换热理论的近代发展中，麦克亚当、贝尔特和埃克特先后作出了重要贡献。在热辐射的早期研究中，认识黑体辐射的重要意义并用人工黑体进行实验研究对于建立热辐射的理论具有重要作用。1889年卢默等人测得了黑体辐射光谱能量分布的实验数据。19世纪末斯蒂芬(J，Stefan)根据实验确立了黑体辐射力正比于它的绝对温度的四次方的规律，后来在理论上被玻耳兹曼所证实。这个规律被称为斯蒂芬—玻耳兹曼定律。热辐射基础理论研究中的最大挑战在于确定黑体辐射的光谱能量分布。1896年维恩通过半理论半经验的方法推导出一个公式。这个公式虽然在短波段与实验比较符合，但在长波段则与实验显著不符。几年后，瑞利从理论上也推导出一个公式，此公式1905年又经过金斯改进，后人称它为瑞利—金斯公式。这个公式在长波段与实验结果比较符合而在短波段则与实验差距很大，而且随着频率的增高，辐射能量将增至无穷大，这显然是十分荒唐的。瑞利—金斯公式在高频部分即紫外部分遇到了无法克服的因难，简直是理论上的一场灾难，因此被称为“紫外灾难”。“紫外灾难”的出现使人们强烈地意识传热学的发展及应用3到，原先以为已经相当完美的经典物理学理论确实存在着问题。问题的解决有赖于观念上新的突破。普朗克决心找到一个与实验结果相符的新公式。经过艰苦努力，他终于在1900年提出了—个公式。其后的实验证实普朗克公式与实际情况在整个光谱段完全符合。在寻求这个公式的物理解释中，他大胆地提出了与经典物理学的连续性概念根本不同的新假说，这就是能量子假说。能量子假说认为，物体在发出辐射和吸收辐射时，能量不是连续地变化的，而是跳跃地变化的，即能量是一份一份地发射和一份地吸收的，每一份能量都有—定的数值，这些能量单元称为“量子”。科学发展的道路往往是曲折的。普朗克公式因为缺乏理论依据而在当时不为人们所接受。普朗克本人对他的新假设认识上也有反复。只有在1905年爱因斯坦的光量子研究得到公认后，普朗克公式才为人们所接受。按照量子理论确立的普朗克定律正确地揭示了黑体辐射能量光谱分布的规律，奠定了热辐射理论的基础。在物体之间的辐射热量交换方面有两个重要的理论问题。其一是物体的发射率与吸收比之间的关系问题。1859和1860年基尔霍夫的两篇论文提供了解答。虽然他在1860年论文中的证明是针对单色和偏振辐射的，然而它的重要意义正在于对全光谱辐射的推广。其二是物体间辐射换热的计算方法。由于物体之间的辐射换热是一个无穷反射逐次削弱的复杂物理过程，计算方法的研究有其特殊的重要意义。1935年波略克借鉴商务结算提出的净辐射法，1954年霍特尔提出、1967年又加以改进的交换因子法以及1956年奥本亥姆提出的模拟网络法，是三种受到重视的计算方法。他们分别为完善此类复杂问题的计算方法作出了贡献。除了上述按基本热量传递方式的发展以外，测量新技术、计算机、激光技术等新技术引入实验研究，对传热学的发展也发挥了重要作用。还要特别提到的是，由于计算机的迅速发展，用数值方法对传热问题的分析研究取得了重大进展，在20世纪70年代已经形成一个新兴分支一数值传热学。近年来，数值传热学得到了蓬勃的发展，显示出它的巨大活力。从以上发展简史可以看出，传热学已经发展成为一门理论体系初具和发展充满活力的基础学科。它在生产发展的推动下成长。同时，它的建立和发展反过来又促进生产的进步发展。当前，能源技术、环境技术、材料科学、微电子技术、空间技术等新兴科学技术的发展，向传热学提出了新的课题和新的挑战。可以相信，传热学在迎接时代新挑战的过程中，必将获得更大的发展，取得更加辉煌的成就。2传热研究的现状及应用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，越来越多地与热力学、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。传热学理论广泛存在于工程技术领域。提高锅炉的蒸汽产量，防止燃气轮机燃烧室过热、减小内燃机气缸和曲轴的热应力、确定换热器的传热面积和控制热加工时零件的变形等，都是典型的传热问题。现在，机械工程仍不断地向传热学提出大量新的课题。如浇铸和冷冻技术中的相变导热，切削加工中的接触热阻和喷射冷却，等离子工艺中带电粒子的传热特性，核工程中有限空间的自然对流，动力和化工机械中超临界区换热，小温差换热，两相流换热，复杂几何形状物体的换热，湍流换热等。随着激光等新的实验技术的引入和计算机的应用，为传热学的发展提供了广阔前景。当前，能源与环境问题面临着新的挑战，传热作为能源动力系统的基本过程之一，传热部件性能的优劣直接影响系统效率、安全性及可靠性。同时，国际学术前沿也需要将热物理学科和材料学科、化学学科进行交叉。传热学的发展及应用42004年6月中科院力学所国家微重力实验室承担的院知识创新重要方向项目“微重力科学若干基础性研究”在两相流传热研究方面取得新进展。1、微细通道流动与传热实验——矩形窄通道内单相强迫对流传热与流动沸腾两相传热现象研究发现尺度减小传热强化，但临界热流降低，与微重力两相流型进行了比较，二者具有很强的相似性，能够进行相互模拟。2、空间池沸腾传热实验装置研制与地面实验——研制返回式卫星搭载实验装置(目前正样装置加工准备就绪)，利用模样产品开展地面实验工作，对空间搭载实验所要求的各项功能均进行了实验验证，并着重对地面常重力环境中稳定的双模态过渡沸腾现象进行了实验研究，发现双模态过渡沸腾曲线并不像文献中所报导的是直线，而是右邻近CHF点处存在一极小值，影响到实际传热形态的变化。3、微重力两相流现象的相似规律研究——分析重力对两相流型特征的影响，提出了气液两相流型