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传热学中热能传递的三种基本方式及研究方法
2020-10-10 19:51:22· 来源：AutoAero 作者：贾宇涵
热力学第二定律指出，在自然界中不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其他的变化。由于自然界和生产过程中几乎到处存在温度差，所以热量传递就成为一种非
热力学第二定律指出，在自然界中不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其他的变化。由于自然界和生产过程中几乎到处存在温度差，所以热量传递就成为一种非常普遍的物理现象。传热学就是研究由温差引起的热能传递规律的科学，其作用是利用可以预测能量传递速率的一些定律来补充热力学分析。传热学与空气动力学有着紧密的关系，了解传热学的相关知识有助于解决汽车空气动力学中发动机冷却、新能源汽车热管理以及驾驶室空调性能优化等问题。下面分别介绍热能传递的三种基本方式和传热学的研究方法。
一、热能传递的三种基本方式
热传递有三种基本方式，分别为热传导、热对流和热辐射。
1.热传导（heat conduction）
物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动互相撞击，使能量从物体的高温部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体的过程，叫做热传导，又称导热。物体或系统内的温度差，是热传导的必要条件。热传导是固体中传热的主要方式，在不流动的液体或气体层中逐层传递，在流动情况下常与热对流同时发生。
热传导
热传导有如下几个特点：
①必须有温差
②物体直接接触
③依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量，不发生宏观的相对位移
④没有能量形式之间的转化
2.热对流（heat convection）
热对流，指流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅能发生在流体中，而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动，因而热对流必然伴随有热传导现象。热对流有三种基本形式，分别是自然对流、强迫对流以及湍流。在工程应用上更注重的是流体流过一个物体表面时，流体与物体表面间的热量传递过程，并将该过程称为对流传热。
热对流
对流换热有如下几个特点：
①必须有流体的宏观运动和温度差
②流体与壁面必须直接接触
③既有对流，也有导热
④没有热量形式之间的转化
3.热辐射（thermal radiation）
物体会因各种原因释出辐射能，其中因热引起的电磁波辐射称为热辐射，它是由物体内部微观粒子在运动状态改变时激发出来的。在自然界中，任何物体都在不断地向空间释出热辐射，同时也在不停地吸收其他物体所释出的热辐射，在这种辐射与吸收的过程中，形成了以辐射方式进行物体间热量的传递方式，叫做辐射传热，也被称为辐射换热。热传导、热对流这两种热量传递方式只有在存在物质的条件下才能够实现，但热辐射可以在真空中传递，并且在真空中，辐射能的传递效率最高。
热辐射
热辐射有如下几个特点：
①不需要物体直接接触，可以在真空中传递
②不仅有能量的转换，还伴有能量形式的转化
③辐射能力与物体的温度性质有关
以上介绍了三种热量传递的基本方式，但是在实际问题中，这些方式往往都是结合出现的，解决问题的时候要灵活分析运用。
二、传热学的研究方法
研究传热学主要有三种方法，分别是实验测定、理论分析和数值模拟。
1.实验测定
实验是研究传热学最基本的方法，所有的热传递过程，其基本规律的揭示都要通过实验测定来完成，引入的热物性参数也要依靠实验测定来获得，当前阶段对流传热表面传热系数的工程计算公式都是通过实验测定得出的。实验的方法在传热设备性能的标定、过程的控制、实验仪器的开发以及新现象的研究中起到十分重要的作用。
2.理论分析
在同样的物体中，各点的温度由一个称为能量方程的偏微分方程所制约。应用数学分析的理论，求解在给定条件下的偏微分方程，从而得出能够确定物体中各点的速度、温度等的函数，称为解析解或精确解，这是传热学理论分析的主要任务。做好理论分析，对研究人员用基本原理分析复杂实际问题的能力有很大的提升。
3.数值模拟
对于大多数实际问题，表达流动与传热问题的偏微分方程组难以得出分析解，利用现代的计算技术，将这些偏微分方程转化成求解区域上的一组代数方程从而通过计算机求解，最终得出其近似解的方法，即为数值模拟。利用该方法，对解决复杂的实际问题有着非常大的帮助。
由于理论分析、实验测定以及数值模拟这三种研究方法各有其最适合的应用范围，把这三种方法结合起来运用，相辅相成，可以得到更加准确的研究结果。
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一、热能传递的三种基本方式
热传递有三种基本方式，分别为热传导、热对流和热辐射。
1.热传导（heat conduction）
物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动互相撞击，使能量从物体的高温部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体的过程，叫做热传导，又称导热。物体或系统内的温度差，是热传导的必要条件。热传导是固体中传热的主要方式，在不流动的液体或气体层中逐层传递，在流动情况下常与热对流同时发生。
热传导
热传导有如下几个特点：
①必须有温差
②物体直接接触
③依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量，不发生宏观的相对位移
④没有能量形式之间的转化
2.热对流（heat convection）
热对流，指流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅能发生在流体中，而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动，因而热对流必然伴随有热传导现象。热对流有三种基本形式，分别是自然对流、强迫对流以及湍流。在工程应用上更注重的是流体流过一个物体表面时，流体与物体表面间的热量传递过程，并将该过程称为对流传热。
热对流
对流换热有如下几个特点：
①必须有流体的宏观运动和温度差
②流体与壁面必须直接接触
③既有对流，也有导热
④没有热量形式之间的转化
3.热辐射（thermal radiation）
物体会因各种原因释出辐射能，其中因热引起的电磁波辐射称为热辐射，它是由物体内部微观粒子在运动状态改变时激发出来的。在自然界中，任何物体都在不断地向空间释出热辐射，同时也在不停地吸收其他物体所释出的热辐射，在这种辐射与吸收的过程中，形成了以辐射方式进行物体间热量的传递方式，叫做辐射传热，也被称为辐射换热。热传导、热对流这两种热量传递方式只有在存在物质的条件下才能够实现，但热辐射可以在真空中传递，并且在真空中，辐射能的传递效率最高。
热辐射
热辐射有如下几个特点：
①不需要物体直接接触，可以在真空中传递
②不仅有能量的转换，还伴有能量形式的转化
③辐射能力与物体的温度性质有关
以上介绍了三种热量传递的基本方式，但是在实际问题中，这些方式往往都是结合出现的，解决问题的时候要灵活分析运用。
二、传热学的研究方法
研究传热学主要有三种方法，分别是实验测定、理论分析和数值模拟。
1.实验测定
实验是研究传热学最基本的方法，所有的热传递过程，其基本规律的揭示都要通过实验测定来完成，引入的热物性参数也要依靠实验测定来获得，当前阶段对流传热表面传热系数的工程计算公式都是通过实验测定得出的。实验的方法在传热设备性能的标定、过程的控制、实验仪器的开发以及新现象的研究中起到十分重要的作用。
2.理论分析
在同样的物体中，各点的温度由一个称为能量方程的偏微分方程所制约。应用数学分析的理论，求解在给定条件下的偏微分方程，从而得出能够确定物体中各点的速度、温度等的函数，称为解析解或精确解，这是传热学理论分析的主要任务。做好理论分析，对研究人员用基本原理分析复杂实际问题的能力有很大的提升。
3.数值模拟
对于大多数实际问题，表达流动与传热问题的偏微分方程组难以得出分析解，利用现代的计算技术，将这些偏微分方程转化成求解区域上的一组代数方程从而通过计算机求解，最终得出其近似解的方法，即为数值模拟。利用该方法，对解决复杂的实际问题有着非常大的帮助。
由于理论分析、实验测定以及数值模拟这三种研究方法各有其最适合的应用范围，把这三种方法结合起来运用，相辅相成，可以得到更加准确的研究结果。
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