第一章 传热学基础概念（一）--- 传热的三种基本方式

1.1 传热学研究对象1.1.1 什么是传热学传热学Heat Transfer是研究由于温度差引起的热量传递规律以及热量传递速率计算方法的科学。简单来说工程热力学关注热量从哪里来能量如何转换系统最终状态是什么传热学关注热量怎么过去过去多快温度分布是什么举例汽车电子水泵工作电机产生热量工程热力学关注能量守恒功转化为内能温升是否合理传热学关注热量如何从电机传到壳体壳体如何传给冷却液冷却液带走多少热量温度场如何分布对应CFD工程热力学能量输入 能量输出传热学热量路径 电机 ↓ 固体结构 ↓ 流体 ↓ 出口1.1.2 热量传递的驱动力传热发生的根本原因存在温度差。类似流体流动压力差 → 流动电流电势差 → 电流传热温度差 → 热流例如热壁冷空气由于热量传递高温壁面→低温空气注意热力学第二定律指出热量只能自发地如果想低温 → 高温必须输入外部功。例如冰箱冷藏室(低温) ↓ 制冷机 ↓ 环境(高温)这也是工程热力学和传热学的连接点。1.2 传热的三种基本方式自然界中的热传递有三种基本形式导热Conduction对流Convection热辐射Radiation实际工程中通常是组合存在例如汽车电池冷却电芯 | | 导热 ↓ 冷却板 | | 对流 ↓ 冷却液 同时 所有物体向外辐射1.2.1 导热Conduction定义导热物体内部由于微观粒子的热运动而产生的热量传递。特点不需要物质宏观运动固体、液体、气体都可以发生微观机理固体主要依靠晶格振动自由电子运动尤其金属例如铜电子运动强导热系数所以铜散热能力强。液体和气体主要依靠分子随机运动。例如空气分子间距大导热系数所以空气隔热能力强。1.2.2 对流换热Convection定义对流换热流体流过固体表面时由于流体运动和分子导热共同作用产生的热量传递。必须满足两个条件存在流体流体发生运动例如水冷热壁面 水流 →壁面热量通过壁面附近液体导热流体整体运动带走最终离开。对流分为1自然对流流体运动由密度差产生。例如暖气片热空气↑ 暖气片 冷空气↓原因温度升高浮力产生流动。2强制对流流体运动由外部设备产生。例如汽车水泵泵 ↓ 冷却液高速流动 ↓ 带走热量CFD里面绝大多数工程问题属于强制对流。1.2.3 热辐射Radiation定义热辐射物体通过电磁波形式进行能量传递。特点不需要介质真空中也可以传播例如太阳太阳 ↓ 电磁波 ↓ 地球任何温度大于绝对零度的物体都会辐射。温度越高辐射越强。1.3 三种传热方式比较形式是否需要介质主要机理典型场景导热需要物质微观粒子运动固体内部对流需要流体流动导热水冷、风冷辐射不需要电磁波高温设备1.4 传热学中的三个核心问题工程传热问题通常解决三个问题问题1热量传递方向例如发动机发动机 100℃ ↓ 冷却液 80℃问题2传递多少热量即热流量例如冷却系统需要带走问题3温度分布如何例如电机中心: 120℃ 外壳: 70℃ 冷却液: 40℃CFD主要解决这个问题。1.5 传热学与CFD的关系在Fluent中传热问题本质是求解流场速度压力温度场能量传递简单理解左边流体带来的热量变化右边热扩散。因此CFD中的热仿真不是单独计算温度而是速度场 ↓ 影响换热 ↓ 温度场 ↓ 影响物性 ↓ 反过来影响流动形成耦合。本节总结传热学研究温差驱动下的热量传递规律。三个基本传热方式导热固体内部主要方式Fourier定律基础对流流体与壁面主要换热方式Fluent工程中最常见辐射电磁波传递高温环境重要