【假一罚四】高等传热学主编刘伟军

本书是为适应研究生课程教学发展的需要，在总结近年来研究生高等传热学教学和科研工作的基础上编写而成的。全书共13章，涵盖导热、对流换热、辐射换热及换热器应用四部分，主要介绍导热的理论基础、稳态与非稳态导热过程的理论与分析解法、传热的热物理与输运基础、对流换热的边界层理论及层流与湍流传热分析、传热典型问题的分析解法和近似解法、沸腾与凝结传热、自然对流传热、辐射换热理论与计算、换热器及其传热计算等基本内容。全书内容力求循序渐进，注重传热概念、机理与实际问题的有机结合，突出分析和解决传热应用问题的思路与方法，所选择的内容与基本传热学内容有机衔接且力求进阶提升，并能反映传热学理论的最新研究成果。

本书可作为高等院校能源动力类、机械类、化工类、航空航天类等专业的研究生教材或教学参考书，也可供相关科技、工程技术人员参考。

第1章绪论

19世纪中叶之前，热被解释为一种无形的物质，被称为“热量”。热量被理解为反映热现象的一种流动介质。直到大约1840年，英国物理学家詹姆斯·焦耳证明了热量不是一种物质材料，而是一种能量形式。这也导致了对热量的新解释的产生，即热量是通过系统边界进行的热能传输。这种新的认知澄清了传热的基本方式为热传导、对流和热辐射。

热传导是发生于固体或液体内部或者紧密接触的两个物体间的热传递，在宏观上不存在任何物质运动。对流传热发生于固体表面与流体间，或者大量运动的流体中的不同区域间。强制对流传热属于外在过程(如压差)驱动流体运动，而外在过程驱动可以由泵、风机及大气风实现。自然对流传热恰恰相反，属于浮力（非外在力)驱动流体运动。热辐射是另一种基本传热方式，其产生于电磁波辐射，以光子作为能量载体。绝对零度以上的物体表面都会产生辐射。这些具体热量传输过程都会在后续章节中详细阐述。

多相传热如气一液、气一固两相流间的相变应用广泛。在热电厂冷凝器的高效运行操控中，需要很好地运用气一液能量传递规律。在材料处理工艺，比如挤压或铸造中，金属液体相变对于材料最终性能有重要影响，晶界排列和凝固收缩直接影响材料拉伸强度。

在后续的章节中，将会对多种融化技术和多相流换热的研究案例进行详尽阐述。

在传热工程领域，设计问题通常要么是减小传热追求传热最小值，要么是增大传热追求传热最大值。例如，镍基高温合金透平叶片铸造属于一维液态金属冷却固化，在这个固化过程中，会产生多种复杂内部作用，在相分界表面会发生收缩流动，在主体液体中会发生热溶液对流和辐射换热。热的有效控制对其非常重要，以至于固化过程要求晶界与叶片轴线平行，这样固化的材料才能在透平运行时最有效抗击最大应变发生。

在传热工程领域，另外一普遍设计问题是如何尽可能用最有效和最经济的方法获得特定传热速率。例如，对于微电子组件，设计者们还在寻找更好的冷却电路的方法和更多有效的可供选择的风扇对流冷却方式。另一类例子是飞机、风力发电机和其他机构结冰表面的除冰问题。飞机结冰会增加累赘和质量，并给安全飞行带来危害。结冰如果脱落会损害飞机下游组件，落冰甚至可能损坏飞机喷气发动机。考虑存在表面加热、传热的导热或对流不同方式及过冷液滴的冻结等方面因素影响，针对表面结冰存在多种加热与冷却模型，本书将给出单相和多相热系统分析的一些有效方法。

1.1基本概念与界定

分子层面上的宏观现象影响材料的热物性参数，如导热系数、比热容、黏度、密度及相变温度。宏观上固体、液体和气体间存在差异，也影响分子间作用和热能转换的本质。固体中原子间化学键能够形成晶格结构，而流体中的化合物是由离子和分子构成的。离子键是带有相反电荷的离子间形成静电力的结果，而共享外层电子的原子间形成共价键。此外，也有分子间力维系物质存在。它们构成材料的紧密结构，也影响着材料的热物性参数。

各种固体可以大致分为陶瓷、金属及高分子材料。一般情况下陶瓷属于离子键混合物，常见陶瓷有砖和瓷器，陶瓷相图表现与金属相图相似。金属通常没有陶瓷那样的晶体结构，破坏原子外电子分布结构不需要更多能量，一般与陶瓷相比具有较低的屈服应力和硬度。陶瓷虽然更坚硬，但与金属相比更易碎和更难塑性变形。

正常状态的高分子材料属于有机物，其原子结构以共价键结合。常见的高分子材料多为碳氢化合物，如乙烯、甲烷、塑料、橡胶等。高分子材料主要应用于涂层、胶黏剂、成膜、发泡等众多方面。高分子材料由分子链构成，其熔点和强度取决于结晶度和抵制分子链运动的能力，所以它的强度和硬度没有金属高。高分子材料不像纯金属那样会发生离散点相变，而是在液一固相间存在连续的相变过程。

高分子材料的晶体结构通常是“晶球状”，类似于金属的半结晶区排布结构，晶球的末端相互接触形成线性边界，高结晶区域形成薄层结构，称为“薄片”（一般为10um长)。不同结晶区类型影响着其热物性参数，结晶区类型的不同说明了为什么陶瓷的密度比高分子材料的大却比金属的小，金属的熔点比高分子材料的高却比陶瓷的低。同样，高分子材料的导热系数通常比金属和陶瓷小两个数量级。

与固体不同，液体和气体中存在没有固定结构的自由运动分子。由日常经验可知，液体要用容器存放，自身无法克服剪应力，但能抗压。这些特性表明固体与液体从微观角度具有一些本质的不同。有些材料，像泥浆、焦油、牙膏和雪，表现出多重特性。在小应力作用下，焦油能抵抗切应力，而在强应力作用下就可以流动。这类混合材料称为黏弹性固体。这些混合材料的研究成为流变学主题。

为了确定固体或液体的密度、导热系数等宏观特性参数，假定物质是连续的介质，这种方法被称为连续性假设。物质连续性处理属于纯理想化处理，因为微观上物质是由单个分子组成的。通常每立方毫米分子数超过10个的物质适用于连续性假设，但某些情况不适用，如低压稀薄气体，就像航天器返回大气层前所经历的环境条件。

连续性假设考虑宏观平均特性，而不考虑分子的空间分布变化所带来的微观特性。例如密度的定义是宏观质量的平均值除以其具有的体积，对于这样的定义选取足够大封闭体积定义才是正确的，认为整个体积内分子的质量分布为均匀一致。如果体积尺寸接近分子运动的平均自由程范围，那么体积内的分子数量会存在明显波动。如果所选体积尺寸比分子平均自由程还小，那么密度会随分子数波动变化明显，因为分子在选定的控制体积内和外随机波动。此外，如果选择宏观超大体积，那么密度差异就会随空间内分子的质量分布不均而表现明显。因此，有效的连续性假设相关体积尺寸有限定范围，为了正确定义局部流体密度，控制体积尺寸必须比分子平均自由程范围大，但要比特征性的宏观尺寸小。

本书为适应新时期研究生培养的需要，在总结多年科研工作和研究生教学的基础上编写而成。全书共11章，主要涵盖了导热、对流换热、辐射换热和典型工程传热应用4部分内容，系统介绍了传热问题的基本原理、数学模型及各种经典分析求解方法。全书内容深入浅出，强调数理概念与传热机理的有机结合，突出分析问题、解决实际传热问题的思路与方法。