傳熱學中熱能傳遞的三種基本方式及研究方法

熱力學第二定律指出，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。由於自然界和生產過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象。傳熱學就是研究由溫差引起的熱能傳遞規律的科學，其作用是利用可以預測能量傳遞速率的一些定律來補充熱力學分析。傳熱學與空氣動力學有著緊密的關係，了解傳熱學的相關知識有助於解決汽車空氣動力學中發動機冷卻、新能源汽車熱管理以及駕駛室空調性能優化等問題。下面分別介紹熱能傳遞的三種基本方式和傳熱學的研究方法。

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、熱對流和熱輻射。

1.熱傳導（heat conduction）

物體各部分之間不發生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動互相撞擊，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程，叫做熱傳導，又稱導熱。物體或系統內的溫度差，是熱傳導的必要條件。熱傳導是固體中傳熱的主要方式，在不流動的液體或氣體層中逐層傳遞，在流動情況下常與熱對流同時發生。

熱傳導

熱傳導有如下幾個特點：

必須有溫差

物體直接接觸

依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量，不發生宏觀的相對位移

沒有能量形式之間的轉化

2.熱對流（heat convection）

熱對流，指流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發生相對位移，冷、熱流體相互摻混所導致的熱量傳遞過程。熱對流僅能發生在流體中，而且由於流體中的分子同時在進行著不規則的熱運動，因而熱對流必然伴隨有熱傳導現象。熱對流有三種基本形式，分別是自然對流、強迫對流以及湍流。在工程應用上更注重的是流體流過一個物體表面時，流體與物體表面間的熱量傳遞過程，並將該過程稱為對流傳熱。

熱對流

對流換熱有如下幾個特點：

必須有流體的宏觀運動和溫度差

流體與壁面必須直接接觸

既有對流，也有導熱

沒有熱量形式之間的轉化

3.熱輻射（thermal radiation）

物體會因各種原因釋出輻射能，其中因熱引起的電磁波輻射稱為熱輻射，它是由物體內部微觀粒子在運動狀態改變時激發出來的。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程中，形成了以輻射方式進行物體間熱量的傳遞方式，叫做輻射傳熱，也被稱為輻射換熱。熱傳導、熱對流這兩種熱量傳遞方式只有在存在物質的條件下才能夠實現，但熱輻射可以在真空中傳遞，並且在真空中，輻射能的傳遞效率最高。

熱輻射

熱輻射有如下幾個特點：

不需要物體直接接觸，可以在真空中傳遞

不僅有能量的轉換，還伴有能量形式的轉化

輻射能力與物體的溫度性質有關

以上介紹了三種熱量傳遞的基本方式，但是在實際問題中，這些方式往往都是結合出現的，解決問題的時候要靈活分析運用。

二、傳熱學的研究方法

研究傳熱學主要有三種方法，分別是實驗測定、理論分析和數值模擬。

1.實驗測定

實驗是研究傳熱學最基本的方法，所有的熱傳遞過程，其基本規律的揭示都要通過實驗測定來完成，引入的熱物性參數也要依靠實驗測定來獲得，當前階段對流傳熱表面傳熱係數的工程計算公式都是通過實驗測定得出的。實驗的方法在傳熱設備性能的標定、過程的控制、實驗儀器的開發以及新現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，各點的溫度由一個稱為能量方程的偏微分方程所制約。應用數學分析的理論，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的速度、溫度等的函數，稱為解析解或精確解，這是傳熱學理論分析的主要任務。做好理論分析，對研究人員用基本原理分析複雜實際問題的能力有很大的提升。

3.數值模擬

對於大多數實際問題，表達流動與傳熱問題的偏微分方程組難以得出分析解，利用現代的計算技術，將這些偏微分方程轉化成求解區域上的一組代數方程從而通過計算機求解，最終得出其近似解的方法，即為數值模擬。利用該方法，對解決複雜的實際問題有著非常大的幫助。

由於理論分析、實驗測定以及數值模擬這三種研究方法各有其最適合的應用範圍，把這三種方法結合起來運用，相輔相成，可以得到更加準確的研究結果。