熱力學(xué)第二定律指出，在自然界中不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他的變化。由于自然界和生產(chǎn)過(guò)程中幾乎到處存在溫度差，所以熱量傳遞就成為一種非常普遍的物理現(xiàn)象。傳熱學(xué)就是研究由溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學(xué)，其作用是利用可以預(yù)測(cè)能量傳遞速率的一些定律來(lái)補(bǔ)充熱力學(xué)分析。傳熱學(xué)與空氣動(dòng)力學(xué)有著緊密的關(guān)系，了解傳熱學(xué)的相關(guān)知識(shí)有助于解決汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)中發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻、新能源汽車(chē)熱管理以及駕駛室空調(diào)性能優(yōu)化等問(wèn)題。下面分別介紹熱能傳遞的三種基本方式和傳熱學(xué)的研究方法。

一、熱能傳遞的三種基本方式

熱傳遞有三種基本方式，分別為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。

1.熱傳導(dǎo)（heat conduction）

物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)互相撞擊，使能量從物體的高溫部分傳至低溫部分，或由高溫物體傳給低溫物體的過(guò)程，叫做熱傳導(dǎo)，又稱(chēng)導(dǎo)熱。物體或系統(tǒng)內(nèi)的溫度差，是熱傳導(dǎo)的必要條件。熱傳導(dǎo)是固體中傳熱的主要方式，在不流動(dòng)的液體或氣體層中逐層傳遞，在流動(dòng)情況下常與熱對(duì)流同時(shí)發(fā)生。

熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

①必須有溫差

②物體直接接觸

③依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量，不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移

④沒(méi)有能量形式之間的轉(zhuǎn)化

2.熱對(duì)流（heat convection）

熱對(duì)流，指流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過(guò)程。熱對(duì)流僅能發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時(shí)在進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，因而熱對(duì)流必然伴隨有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。熱對(duì)流有三種基本形式，分別是自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流以及湍流。在工程應(yīng)用上更注重的是流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)，流體與物體表面間的熱量傳遞過(guò)程，并將該過(guò)程稱(chēng)為對(duì)流傳熱。

熱對(duì)流

對(duì)流換熱有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

①必須有流體的宏觀運(yùn)動(dòng)和溫度差

②流體與壁面必須直接接觸

③既有對(duì)流，也有導(dǎo)熱

④沒(méi)有熱量形式之間的轉(zhuǎn)化

3.熱輻射（thermal radiation）

物體會(huì)因各種原因釋出輻射能，其中因熱引起的電磁波輻射稱(chēng)為熱輻射，它是由物體內(nèi)部微觀粒子在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)激發(fā)出來(lái)的。在自然界中，任何物體都在不斷地向空間釋出熱輻射，同時(shí)也在不停地吸收其他物體所釋出的熱輻射，在這種輻射與吸收的過(guò)程中，形成了以輻射方式進(jìn)行物體間熱量的傳遞方式，叫做輻射傳熱，也被稱(chēng)為輻射換熱。熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流這兩種熱量傳遞方式只有在存在物質(zhì)的條件下才能夠?qū)崿F(xiàn)，但熱輻射可以在真空中傳遞，并且在真空中，輻射能的傳遞效率最高。


熱輻射

熱輻射有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

①不需要物體直接接觸，可以在真空中傳遞

②不僅有能量的轉(zhuǎn)換，還伴有能量形式的轉(zhuǎn)化

③輻射能力與物體的溫度性質(zhì)有關(guān)

以上介紹了三種熱量傳遞的基本方式，但是在實(shí)際問(wèn)題中，這些方式往往都是結(jié)合出現(xiàn)的，解決問(wèn)題的時(shí)候要靈活分析運(yùn)用。

二、傳熱學(xué)的研究方法

研究傳熱學(xué)主要有三種方法，分別是實(shí)驗(yàn)測(cè)定、理論分析和數(shù)值模擬。

1.實(shí)驗(yàn)測(cè)定

實(shí)驗(yàn)是研究傳熱學(xué)最基本的方法，所有的熱傳遞過(guò)程，其基本規(guī)律的揭示都要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定來(lái)完成，引入的熱物性參數(shù)也要依靠實(shí)驗(yàn)測(cè)定來(lái)獲得，當(dāng)前階段對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的工程計(jì)算公式都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定得出的。實(shí)驗(yàn)的方法在傳熱設(shè)備性能的標(biāo)定、過(guò)程的控制、實(shí)驗(yàn)儀器的開(kāi)發(fā)以及新現(xiàn)象的研究中起到十分重要的作用。

2.理論分析

在同樣的物體中，各點(diǎn)的溫度由一個(gè)稱(chēng)為能量方程的偏微分方程所制約。應(yīng)用數(shù)學(xué)分析的理論，求解在給定條件下的偏微分方程，從而得出能夠確定物體中各點(diǎn)的速度、溫度等的函數(shù)，稱(chēng)為解析解或精確解，這是傳熱學(xué)理論分析的主要任務(wù)。做好理論分析，對(duì)研究人員用基本原理分析復(fù)雜實(shí)際問(wèn)題的能力有很大的提升。

3.數(shù)值模擬

對(duì)于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題，表達(dá)流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的偏微分方程組難以得出分析解，利用現(xiàn)代的計(jì)算技術(shù)，將這些偏微分方程轉(zhuǎn)化成求解區(qū)域上的一組代數(shù)方程從而通過(guò)計(jì)算機(jī)求解，最終得出其近似解的方法，即為數(shù)值模擬。利用該方法，對(duì)解決復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題有著非常大的幫助。

由于理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)定以及數(shù)值模擬這三種研究方法各有其最適合的應(yīng)用范圍，把這三種方法結(jié)合起來(lái)運(yùn)用，相輔相成，可以得到更加準(zhǔn)確的研究結(jié)果。


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