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1――――――2004年全国热工课程发展战略规划研讨学术大会报告――――――“传热学”本科生教材40年的变迁及其对我们的启示陶文铨何雅玲李增耀唐桂华（西安交通大学能源与动力工程学院）摘要：本文对40余年来世界科技领域的八件大事、传热学本身研究的进步以及教材编写体例的变化对本科传热学教学的影响进行了分析，并对今后本科传热学教学的发展提出了作者的见解。1．引言传热学是研究在温差作用下热量传递规律的科学。由于在自然界以及各种工程领域中无处不存在温差，因而无处不存在热量传递现象；而且各种工业过程中耗散的能量又都是以热能的形式而散发到环境中，使得传热学与工业生产和日常生活的关系特别密切。工业生产和科技领域的发展需求是传热学发展的根本动力，传热学研究的成果又推动了工业技术的发展。因而传热学的基本原理虽然已经形成了近一个世纪，但直至今日仍然是热科学乃至整个技术科学中十分活跃的学科。本文试图通过回顾40多年来世界科技领域的主要发展对传热学研究的促进，分析这些进展在本科生传热学教材中的反映。同时40多年来传热学学科本身的深入研究进一步查明了一些基本机理或完善了一些关联式，本文也将作简要的归纳。这个时期中世界科学技术以及教育学的发展也对课程教学与教材编写产生了显著的影响，对此文中也开展了讨论。最后本文试图对今后本科生传热学教材内容的发展做出估计与预测。笔者所能得到的这一时期内出版的国内外的教材有34种[1～34]，大致可分为三个时间段：20世纪60年代左右的教材（称为前期教材）[1～6]；90年代末21世纪初的教材（称为近期教材）[24～34]，以及介于其间的教材（称为中期教材）[7～23]。本文的讨论主要针对前期与近期教材，间或涉及到中期教材。2．近40年内世界科技领域的重大事件及其对传热学教材的影响近40年内对传热学发展产生重大影响的事件很多，这里着眼于对本科生教材产生较大影响的事件，主要有以下八项。2.170年代的世界能源危机促进了强化传热的研究发生于70年代的能源危机对世界的经济发展是一次大冲击。其间中东的石油两次提价，使过去靠廉价石油发展工业的西方国家经济的发展受到很大的影响，迫使人们尽力减少石油与其它二次能源的消耗，客观上极大地促进了强化传热技术的研究——其实质是探求在消耗一定的能量条件下尽可能多地传递为某种过程所需的热量。根据Bergles的统计[35]，这个时期世界范围内关于强化传热研究论文的数量急剧上升（图1）。2这一事件使传热学教材对强化传热技术给予了更多的关注。在60年代出版的教材中，几乎没有出现“强化传热”(augmentation,enhancement)的术语[3~6]，文献[1,2]中提出了“传热的增强”的概念，但仅限于分析强化传热过程首先要强化热阻大的一侧的换热过程，还未对强化传热的技术开展阐述。在西方教材中，作者查到Kreith的教材[18]，已经将Augmentation列入主题索引；在1993年出版的Bejan的教材[22]中则更加开宗明义地提出研究传热学的主要任务是（1）热绝缘；（2）强化传热；（3）温度控制，非常精练地道出了近代传热学的研究命题；在Incropera、DeWitt的教材中，1985年的版本[17]正文中已经有这方面的阐述，但未列入主题索引，在2002年版本[30]中，则将enhancementsurfaces列入了主题索引。国内教材比较通行的杨世铭编《传热学》在中期教材的两个版本[11，19]中,均明确提出了强化传热的命题，在其近期第三版[26]中则进一步丰富了有相变与无相变传热强化技术的介绍，并且将“强化传热”列为主题词。在近期教材[32]中也对有相变时的传热强化问题开展了论述。在大多数近期的西方教材，例如[28,31,33]中，都对强化传热给予了不同程度的关注。Holman的Heattransfer在西方是一本流行多年的教科书，但在其第九版[30]中仍未对强化传热给予足够的注意，不能不认为是一个缺陷。Lienhard父子的教科书[34]也存在同样的缺陷：该书在导热一章以后立即介绍换热器的设计，就丧失了通过换热器介绍引入强化对流换热技术的可能性，致使该书中连紧凑式换热器的概念都未出现。由此看来，换热器热设计的内容在教材一开始就介绍，未必是一种成功的尝试。2.2核能工程的发展促进了多相流传热研究的蓬勃兴起气液两相流广泛存在于动力、化工、石油等工业部门，但是只有在20世纪50－60年代核反应堆开始较大规模地应用于民用动力工程事业时，为了保证核反应堆的合理设计以及安全运行，气液两相流与传热的研究才进入蓬勃发展的时期[36]。气液两相流领域中的名著[37]的作者LSTong就是长期从事核反应堆研究科学家。核能工业以及大型火电站的发展，图1强化传热文献发表数量的逐年增长情况3使传热学中关于管内沸腾的内容得到更多的重视。在早期的传热学教材[2-6]中虽然已经引入了管内沸腾的概念，但没有介绍流型以及传热特性如何随着流型而变化的情况。在本科生的传热学教材中，不可能详细介绍管内沸腾换热的关联式，但是从热交换的机理出发，阐述随着流型的不同而引起传热特性的变化则是应该的，像图2这样的定性介绍正是近期大多数传热学教材，例如[26,28,30,31,33,34]中，所普遍采用的。这样的图像在早期的传热学教材中是不可能有的，只有在某些中后期的教材，如[17,19,20,24]等，开始引入了管内强制对流沸腾的概念与流型，其中以Mill的教材[23]介绍最为详细，不仅有流型的详细说明，而且还介绍了Klimenko的管内沸腾换热的计算方法。2.3电子器件冷却技术发展为传热学提供了许多强化换热的实例电子技术是迄今为止世界上发展最为迅速的技术领域。芯片上集成的晶体管数目、主频以及芯片功率随年份的变化给出在图3，4，5中。由于功率不断增加，使电子器件的冷却成为目前IT工业的瓶颈问题之一，由于温度超标而失效成为电子器件失效的主要原因（图6）。图3芯片上晶体管的集成度的变化图4芯片主频的变化图2管内沸腾换热的定性描述[34]4因此从20世纪90年代起，电子器件冷却技术的研究广泛受到重视，给传热学教材提供了大量具有实际意义的例题与习题，这方面以Incropera/DeWitt以及Cengel的教材最为明显。Incropera/DeWitt的教材[24,31]以这方面的例题、习题丰富称著，Cengel的教材[25,33]则单立一章介绍电子器件的冷却技术。例如Incropera/DeWitt的教材中以80年代IBM公司开发成功的导热模块为例，让学生分析热量从芯片到冷却水的传递过程（图7），笔记本电脑的冷却则为热管应用提供贴近学生的实例（图8）。而各种芯片的空气强制对流散热器则为讲授肋片提供了极好的例子（图9）[28]。图7IBM导热模块热传递过程分析图8热管在笔记本电脑中的应用图5芯片功率的变化图6电子产品失效分析图9芯片散热器举例52.4计算机与信息产业的发展为数值模拟以及教学资源的开拓提供了物质基础计算机工业的发展对传热学教材的直接影响是使得传热问题的数值计算普遍被中近期教材[17-33]采纳为一个重要的内容，代替了早期教材中的图解法等（图10）。当计算机求解方法刚引入时，普遍附以程序[8,10,11]。教学实践证明，关键是建立离散方程的方法以及代数方程的求解方法，至于程序本身因为与高级语言有关，没有必要附入。Lienhard父子在2003年的教材[34]中仍对数值计算只字未提，只能看成是一个特例。至于数值求解的内容，则所有近期教材均限于导热问题，这是由于对流换热的数值模拟涉及到许多算法方面的问题，在本科生的传热学教材中不宜展开。本文第一作者在1991年就提出了在我国高等学校中进行传热与流动问题的数值模拟分层次教学的建议[38]：以后又进一步提出了三个层次的设想：本科生阶段着重讲授导热问题的求解，作为一门高年级的选修课，可以介绍以涡量－流函数方法为主的流场求解方法；硕士研究生阶段以学习SIMPLE系列算法的数值方法为主线，同时介绍网格生成技术，到博士生阶段则应该引入近代进展，包括非结构化网格等。在这一思想指导下，编著出版了三个层次的教材[39-41]。十余年来的实践证明，这一构思是切合我国的实际情况的。计算机工业迅速发展为传热学课程教学提供了建设教学资源的物质基础。目前美国出版的教材，除了纸质版本以外，普遍辅以下列电子材料：多媒体课件、课程教学的计算机辅助教学素材库、习题求解器及电子教材，等，这些内容的总和又称为立体教材。对读者而言，有了课程资源，学习的内容就变得更加丰富多彩，有利于激发他们的学习兴趣，拓宽其视野，使所学到的理论更容易结合实际。教师在教学中如能适当地应用各种资源可以收到更好的教学效果。2.5航天航空事业的发展增强了辐射换热、超级绝热材料和热管的内容70年代左右世界航天事业的兴起大大促经了传热学的发展：从火箭发动机与叶片的冷却技术，空间飞行时航天器的热控制，到重返大气层时的热防护（图11）等一系列与传热学有关的研究均取得了长足的进步。其中对本科生辐射换热内容的影响较大。在太空中，辐射是物体向太空散热的唯一方式。世界辐射换热名著[42]的两位作者Siegel与Howell，就是美国NASA的两位科学家。航天事业的发展使各种不同表面形状与相对位置间的角系数计算成为一项重要的研究内容[43]，也使得本科传热学教材中辐射角系数计算的份量有所增加。初期教材可以以德国Grober等的传热学[3]为典型：该书中辐射换热部分没有提出角系数的概念；在文献[2]中介绍了角系数的定义、特性，但是仅举出火焰对管排的角系数。到了中期与后期的教材，如[15,16,23,33]中，空间不同位置与形状的两表面间角系数计算就大图10求解平板非稳态导热的Schmidt图解法[10]6为强化。超级保温材料在航天事业中应用甚广[44]。著名的美籍华裔传热学家田长霖教授就对此做过重要贡献[45]：1973年他首次访问大陆时在上海科学会堂做的学术报告就是关于超级绝热材料的。这为传热学中抽真空的多层遮热板热绝缘技术提供了很好的应用实例。热管的概念虽然在1942年就已经由美国通用电器公司的Gaugler提出，但是因为找不到应用场合而没有得到重视，60年代初开始被应用于航天器的温度控制（图12）[44]，于是得到蓬勃的发展。目前热管的内容几乎是任何一本近代传热学教材都要介绍的，在文献[23]中则连热管的声速极限、携带极限和沸腾极限都作了介绍。航空发动机叶片冷却技术的研究进一步促进了强化传热的研究。航空发动机叶片的冷却系统十分复杂(图13，14)，其中所用到的冷却方式包括，冲击冷却、加粗糙元强化对流换热、（a）发射前的航天器（b）回收的神州5号航天器外壳图11我国发射的航天器及回收的神州5号图12热管用于卫星表面等温化1．用热管前2.用热管后图13叶片冷却示意图图14航空发动机冷却系统图12热管用于卫星表面等温化1．用热管前2.用热管后7气膜冷却等。气膜冷却可以对航空专业的学生讲授，一般专业的传热学教学则可以将冲击冷却作为一种外部流动换热方式介绍[26,31]，而粗糙元可以在介绍强化对流换热的技术中引入，同时也可以作为例题或习题的内容。2.6全球日益严重的环境问题对传热学教学内容的影响世界经济的迅速发展给全球环境造成了严重的损害：南极臭氧层空洞日益扩大，图15是美国航天局提供的南极臭氧层空洞的摄影照片；全球变暖、气温上升、物种灭绝加速（图16）。据英国皇家学会汇报B刊的计算模拟结果，气温每上升1C就使一个物种灭绝；同时城市热岛效应加剧。而目前全球温室效应有增无减，据预测到2100年全球平均气温将比1990年上升1.4－5.8C，是20世纪内温升值0.6C的2－10倍。另外我国北极考察队发现，北冰洋冰层厚度已经由上世纪80年代的4.88米减少为2.75米，下降了2.13米。如此严重的环境问题是任何一本严肃、科学的传热学教材不能不予以关注的[26,32,33,34]。在传热学教材中有以下几种方式对待这一问题：（1）在阐述气体辐射的选择性时结合讲授温室效应以