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傳熱學(xué)基本原理 導(dǎo)熱基本定律是由法國物理學(xué)家傅里葉于1822年通過實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的提煉,、運(yùn)用數(shù)學(xué)方法演繹得出,，也稱傅里葉定律： 式中： 為導(dǎo)熱熱流量（W），單位時(shí)間內(nèi)通過某一給定面積的熱量,；A為與熱流方向垂直的面積,；dT/dx表示該截面上沿?zé)崃鞣较虻臏囟仍隽浚喎Q為溫度梯度（K/m）,； 是比例系數(shù),，稱為導(dǎo)熱系數(shù)或?qū)崧蔥W/(m×K)]。 熱對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)使物體不同的流體相對(duì)位移而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象,。特點(diǎn)：只能發(fā)生在流體中,；必然伴隨有微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的導(dǎo)熱。對(duì)流換熱是指流體與固體表面之間的熱量傳遞,。熱對(duì)流換熱的基本定律是英國科學(xué)家牛頓（Newton）于1701年提出的牛頓冷卻定律：
熱輻射是由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而使物體向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。 在熱量傳遞方式上,，熱輻射與熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流相比具有許多固有的特點(diǎn)：熱輻射無需物體直接接觸,，可以在無中間介質(zhì)的真空中傳遞，并且 真空度越高,，熱輻射傳遞效果越好,。在傳遞過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換，即發(fā)射時(shí)將熱能轉(zhuǎn)換為輻射能,，而被吸收時(shí)又將輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。任何熱力學(xué)溫度大于零的物體都不停地向空間發(fā)出熱輻射,。 熱輻射基本定律： 式中：為輻射熱流量（W）,；T為熱力學(xué)溫度（K）；A為輻射表面積（）,；為斯特藩-波爾茲曼常數(shù),，也稱黑體輻射常數(shù)，其值為 實(shí)際物體輻射熱流量的計(jì)算可以采用斯特藩-波爾茲曼定律的修正形式： 式中： 傳熱學(xué)在工程中的應(yīng)用 能源是人類存在的基石，也是人類文明的動(dòng)力,。熱量是能源利用過程中最主要的物質(zhì),，傳熱學(xué)則是研究因溫度差異引起的熱量傳遞過程的一門學(xué)科。 傳熱學(xué)的應(yīng)用無處不在,，包括能源動(dòng)力,、冶金、化工,、交通,、建筑建材、機(jī)械以及食品,、輕工,、紡織、醫(yī)藥等傳統(tǒng)工業(yè),，航空航天,、核能、微電子,、材料,、生物醫(yī)學(xué)工程,、環(huán)境工程、新能源以及農(nóng)業(yè)工程等很多高新技術(shù)領(lǐng)域,。隨著理論試驗(yàn)研究與生產(chǎn)生活的結(jié)合,，衍生出微尺度傳熱、生物傳熱相變與多相流傳熱,、低溫傳熱,、等許多交叉分支學(xué)科。 流動(dòng)與熱交換現(xiàn)象大量地出現(xiàn)在自然界及各個(gè)工程領(lǐng)域中,，其具體的表現(xiàn)形式多種多樣,。從現(xiàn)代樓宇的暖通空調(diào)過程到自然界風(fēng)霜雨雪的形成，從航天飛機(jī)重返大氣層時(shí)殼體的保護(hù)到微電子器件的有效冷卻,，從現(xiàn)代汽車流線外型的確定到緊湊式換熱器中翅片形狀的選取,，無不都與流動(dòng)和傳熱過程密切相關(guān)。 在機(jī)械加工和機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中,，無不考慮工件和設(shè)備在工作條件下的溫度場,，以及如何處理工作過程中的溫度場對(duì)工作的影響，以及如何解決該問題,。在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)中,除了要考慮結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為外,有時(shí)還需要考慮結(jié)構(gòu)的熱效應(yīng),、結(jié)構(gòu)的溫度不能超過某一設(shè)定值等方面。因此,研究這些不確定性對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響具有重要的工程意義和理論意義,。在機(jī)械設(shè)計(jì)中,，溫度場的分析極為重要。所謂溫度場就是指物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)點(diǎn)上溫度的集合. 溫度場分為穩(wěn)定溫度場和不穩(wěn)定溫度場,。對(duì)于穩(wěn)定溫度場的分析很簡單,。關(guān)鍵是對(duì)不穩(wěn)定溫度場的分析。不穩(wěn)定溫度場的分析目前最流行的分析方法是有限元分析方法,。對(duì)具體熱場,，需要根據(jù)具體問題給出導(dǎo)熱體的初始條件與邊界條件。初始條件是指物體開始導(dǎo)熱時(shí)（即t= 0 時(shí)）的瞬時(shí)溫度分布,。邊界條件是指導(dǎo)熱體表面與周圍介質(zhì)間的熱交換情況,。 常見的邊界條件有以下三類：第一類邊界條件是指給定物體表面溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。第二類邊界條件是指給出通過物體表面的比熱流隨時(shí)間的變化關(guān)系,。第三類邊界條件是指給出物體周圍介質(zhì)溫度以及物體表面與周圍介質(zhì)的換熱系數(shù),。上述三類邊界條件中，以第三類邊界條件最為常見,。由于溫度場的分析的重要研究和工程意義,，溫度場的分析應(yīng)用極為廣泛。 在航空航天方面，航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承是滑油系統(tǒng)進(jìn)行冷卻和潤滑的關(guān)鍵部件,由于主軸承自身的發(fā)熱量較高,其換熱邊界條件的準(zhǔn)確確定和加載決定了主軸承熱分析的分析精度,。對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主推力球軸承熱分析中邊界條件的處理方法進(jìn)行研究,。對(duì)主軸承的摩擦發(fā)熱和對(duì)對(duì)流換熱邊界條件進(jìn)行了分類及研究,并將研究的邊界條件進(jìn)行了計(jì)算及驗(yàn)證。利用ANSYS有限元分析軟件,采用將摩擦熱按體積生熱率處理和將摩擦熱按熱流密度處理的兩種不同的方式對(duì)主軸承的邊界條件進(jìn)行加載,分別對(duì)試驗(yàn)器狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承進(jìn)行熱分析,取得計(jì)算結(jié)果,。該可為發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車及潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考,。 隨著航天技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，低溫領(lǐng)域研究的重要性變得日益重要起來,。在衛(wèi)星,、火箭燃料、航天飛機(jī)及其所攜帶的紅外遙感和電子設(shè)備上,，在航天器的地面模擬裝置等方面,，均需要用到低溫技術(shù)和相應(yīng)的裝備?？紤]到未來超導(dǎo)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用前景和氫氣作為清潔能源成為車輛的主要燃料,，低溫技術(shù)的應(yīng)用范圍將更加廣闊。僅就目前階段的主要應(yīng)用—航天方面而言,，對(duì)材料和技術(shù)水平的要求已經(jīng)相當(dāng)高，在機(jī)械方面,，驅(qū)動(dòng)元件大多是電動(dòng)機(jī),，因此對(duì)電動(dòng)機(jī)的溫度場分析具有重要的意義。傳統(tǒng)的單一求解電機(jī)定子溫度場或轉(zhuǎn)子溫度場強(qiáng)加邊界條件有些問題難以確定,但是通過建立籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有無斷條故障運(yùn)行情況下的定,、轉(zhuǎn)子全域溫度場二維數(shù)學(xué)模型和溫度場二維有限元計(jì)算模型,。分別計(jì)算額定負(fù)載情況下,轉(zhuǎn)子正常和轉(zhuǎn)子一根斷條以及轉(zhuǎn)子相鄰兩根斷條時(shí)的定、轉(zhuǎn)子全域穩(wěn)態(tài)溫度場,。比較三種情況下電機(jī)的溫升分布,可以分析電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條根數(shù)對(duì)電機(jī)溫度場的影響,。 相當(dāng)多的傳熱技術(shù)是從軍事用途開始發(fā)展并逐步走向完善和大規(guī)模應(yīng)用的。例如戰(zhàn)斗機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)一貫代表這一領(lǐng)域的最高水平,。20世紀(jì)末,，軍用戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)達(dá)到1750K，正在研制的新機(jī)型甚至達(dá)到1860K,！若沒有非常有效的冷卻技術(shù),，這么高的溫度是無法想象的。再如紅外攝像裝置和傳感器,，最早也僅用于軍事目的,，像偵察用的夜視儀、導(dǎo)彈的紅外跟蹤尋的裝置等?，F(xiàn)在高靈敏度的紅外攝像儀已經(jīng)大量用于和平目的,，如大范圍的火災(zāi)報(bào)警和防護(hù)、洪水的監(jiān)視,、資源勘查,、環(huán)境保護(hù)(用裝在人造衛(wèi)星上的紅外攝像機(jī)可以大范圍地監(jiān)視地面和海岸線等的污染狀況)等,。此外，從地面軍車到軍艦,、飛機(jī),、衛(wèi)星，都離不開各種類型的高效換熱設(shè)備,。 |
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