传热学基本原理及工程应用
传热学基本原理及工程应用
一 传热学基本原理
1 三种热传递方式的特点和基本定律
航空发动机原理1）导热特点：从宏观的现象看，是因物体直接接触，能量从高温部分传递到低温部分，中间没有明显的物质迁移。
导热基本定律是由法国物理学家傅里叶于1822年通过实验经验的提炼、运用数学方法演绎得出，也称傅里叶定律：
式中：为导热热流量（W），单位时间内通过某一给定面积的热量；A为与热流方向垂直的面积（）；dT/dx表示该截面上沿热流方向的温度增量，简称为温度梯度（K/m）；是比例系数，称为导热系数或导热率[W/(m×K)]，它是物体的热物性参数。其值的大小反映了物体导热能力的强弱；公式右边的“-”号表征热流方向与温度梯度方向相反，
2）热对流
热对流是指由于流体的宏观运动使物体不同的流体相对位移而产生的热量传递现象。特点：只能发生在流体中；必然伴随有微观粒子热运动产生的导热。对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递。热对流换热的基本定律是英国科学家牛顿（Newton）于1701年提出的牛顿冷却定律：
流体被加热时，
流体被冷却时，
           
式中：为对流换热热流量（W）；和分别表示壁面温度和流体温度（℃或K）；A为固体壁面对流换热表面积（）；h为对流换热系数，也称表面传热系数。h不是物性参数，其值反映了对流换热能力的大小，与换热过程中得许多因素有关。
3）热辐射
热辐射：由于物体内部微观粒子的热运动（或者说由于物体自身的温度）而使物体向外发射辐射能的现象。 在热量传递方式上，热辐射与热传导和热对流相比具有许多固有的特点：热辐射无需物体直接接触，可以在无中间介质的真空中传递，并且 真空度越高，热辐射传递效果越好。在传递过程中伴随着能量形式的转换，即发射时将热能转换为辐射能，而被吸收时又将辐射能转换为热能。任何热力学温度大于零的物体都不停地向空间发出热辐射。
热辐射基本定律：
计算黑体表面单位时间内所发出的热辐射能量，可以按照斯特藩-波尔兹曼定律：
式中：为辐射热流量（W）；T为热力学温度（K）；A为辐射表面积（）；为斯特藩-波尔兹曼常数，也称黑体辐射常数，其值为。
一切实际物体的辐射能力都小于同温度下得黑体。实际物体辐射热流量的计算可以采用斯特藩-波尔兹曼定律的修正形式：
式中：称为该物体的辐射率，也称黑度。其值恒小于1，与物体的种类及表面状态有关。
2 三种热传递方式计算方法
除了，传统的算法我们现在常用的方法是有限元分析法。所谓有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为分析温度场行之有效的分析手段。
3 对流传热的准则数及其物理意义
（1）雷诺准则，，它表示流体流动时惯性力与粘滞力的相对大小。
（2）格拉晓夫准则，，它表示浮升力与粘滞力的相对大小。
（3）普朗特准则，，它表示流体的动量传递能力与热量传递能力的相对大小。
（4）努谢尔特准则，，它表示壁面法向无量纲过余温度梯度的大小。
在受迫对流换热问题中，引入无量纲准则数后，原本影响因素众多的表面传热系数就变为Nu＝f(Re，Pr)。由此可知，根据准则数安排实验，可大大减少实验次数，并减少实验的盲目性。
二 传热学在工程中的应用
流动与热交换现象大量地出现在自然界及各个工程领域中，其具体的表现形式多种多样。从现代楼宇的暖通空调过程到自然界风霜雨雪的形成，从航天飞机重返大气层时壳体的保护到微电子器件的有效冷却，从现代汽车流线外型的确定到紧凑式换热器中翅片形状的选取，无不都与流动和传热过程密切相关；而各种生产电力的方法几乎都是以流体流动及传热作为其基本过程的。
在机械加工和机械设计的过程中，设计者无不考虑工件和设备在工作条件下的温度场，以及如何处理工作过程中的温度场对工作的影响，以及如何解决该问题。在实际工程结构的
分析与设计中,除了要考虑结构的力学行为外,有时还需要考虑结构的热效应(如热变形,热应力)、结构的温度不能超过某一设定值等方面。然而实际工程结构中存在着大量的误差和不确定性,使得结构的物理参数、几何参数以及载荷等具有不确定性,从而导致结构的响应也具有不确定性。因此,研究这些不确定性对结构响应的影响具有重要的工程意义和理论意义。
结合所查阅的文献资料，在机械设计中，温度场的分析极为重要。所谓温度场就是指物质系统内各个点上温度的集合. 温度场分为稳定温度场和不稳定温度场。对于稳定温度场的分析很简单。关键是对不稳定温度场的分析。不稳定温度场的分析目前最流行的分析方法是有限元分析方法。对具体热场，需要根据具体问题给出导热体的初始条件与边界条件。初始条件是指物体开始导热时（即t= 0 时）的瞬时温度分布。边界条件是指导热体表面与周围介质间的热交换情况。常见的边界条件有以下三类：第一类边界条件是指给定物体表面温度随时间的变化关系。第二类边界条件是指给出通过物体表面的比热流随时间的变化关系。第三类边界条件是指给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介质的换热系数。上述三类边界条件中，以第三类边界条件最为常见。
由于温度场的分析的重要研究和工程意义，温度场的分析应用极为广泛，下面给出应用温度场分析的几个场合：
1）航空航天方面
航空发动机主轴承是滑油系统进行冷却和润滑的关键部件,由于主轴承自身的发热量较高,其换热边界条件的准确确定和加载决定了主轴承热分析的分析精度。对航空发动机主推力球轴承热分析中边界条件的处理方法进行研究。对主轴承的摩擦发热和对对流换热边界条件进行了分类及研究,并将研究的边界条件进行了计算及验证。利用ANSYS有限元分析软件,采用将摩擦热按体积生热率处理和将摩擦热按热流密度处理的两种不同的方式对主轴承的边界条件进行加载,分别对试验器状态的发动机主轴承进行热分析,取得计算结果。该可为发动机整机试车及润滑系统设计提供参考。
2）车辆的方面
电磁耦合无级变速器是一种新型的电力无级变速器,它既可以实现宽速比的无级变速功能,又能作为混合动力汽车机械-电力分会流装置实现功率调节和制动能量回收,在满足车辆动力性要求的前提下,显著提高车辆的燃油经济性,降低排放。建立对一种无级变速器温度场仿真有限元模型,采用等效的方法把定子绕组和内转子绕组的铜导线以及多种绝缘材料等效成两个导热体进行数值计算;引入有效导热系数的概念,把转动的内、外气隙的气流的对流散热等效
成静止流体的导热来研究。运用有限元分析软件对自然冷却条件下变速器定子温度场和全域温度场进行仿真分析，可以确定变速器的热点分布以及各部位的温升范围。然后，针对变速器的温升，设计机座表面外置风扇风冷和内转子循环油冷的冷却系统。根据设定的仿真条件，完成对带有冷却系统的变速器的温度场仿真，考察冷却系统的冷却效果。此外，针对影响变速器温升的各种因数，可以重点研究机座材料、风扇风速、散热筋高度、冷却油温度以及冷却油道直径等因素对变速器温度场的影响，温度场分析的结果对从各个方面改善变速器的散热提供了理论基础。
3）通用机械方面
大部分的驱动元件都是选用电动机，因此对电动机的温度场分析具有重要的意义。传统的单一求解电机定子温度场或转子温度场强加边界条件有些问题难以确定,但是通过建立笼型异步电动机转子有无断条故障运行情况下的定、转子全域温度场二维数学模型和温度场二维有限元计算模型。分别计算额定负载情况下,转子正常和转子一根断条以及转子相邻两根断条时的定、转子全域稳态温度场。比较三种情况下电机的温升分布,可以分析电机转子断条根数对电机温度场的影响。温度场计算模型还可以应用到其他无轴向通风冷却异步电动
机转子正常或转子断条故障时的温度场计算与分析,并且可以从电机温度场变化的角度为电机断条故障提供诊断依据。
事实上，温度场的分析不仅仅在重型机械领域意义重大，在体积和质量较小的控制电路板的工作和设计中也是意义重大。众所周知，随着计算机技术的发展，人类已经进入了信息时代。现在，在工业的各个方面，达到航空航天小到人们日常生活到处可见“控制”的作用。而控制都是通过小小的电子元器件组成的电路板实现的。可以说，当一个设备的控制系统发生故障了，那么设备就陷入瘫痪状态。因此，控制系统的工作状况是相当重要的。然而，在控制系统工作过程中也会产生热量，这些热量不能及时散去后果是非常严重的。因此，在电子电路设计时，温度场分析和散热极为重要。温度场分析用在以下几个方面：
1）电子器件封装
随着电子封装技术向着高密度、高性能、小型化和低成本的方向发展,振动与热引起的可靠性问题日益成为人们研究的重点。例如，对二级陶瓷柱状阵列封装组件在振动与热循环载荷作用下的可靠性研究。 主要包括:1)建立了振动与热传导的三维有限元模型,分析了结构在正弦激励与热循环载荷作用下的应力应变分布情况;研究结果表明,电子封装结构中最危险
的部位始终位于离电路板中心最远的焊点上;在热循环载荷作用时，裂纹最早产生于危险焊点上离基板较近的体积平均层上；与电路板的厚度相比，基板的厚度及盖板的存在情况对焊点的热疲劳寿命影响较大。温度场分析可为电子封装结构的设计工作提供重要理论参考。
2）PCB（印制电路板）
随着技术的发展、功能要求的增多，电路板也变得越来越复杂。现在已经由最初的单双面板，发展到多层板。大部分的主机板都是4到8层的结构，不过技术上理论可以做到近100层的PCB板。大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板。同时为满足功能的需求，电路板已经不仅仅是单芯片控制，现在已经发展成为了多芯片控制。在极小的空间内实现强大的控制功能，这就要求设计者充分考虑耗热的问题。温度场分析通常运用隔热材料和复合材料的计算公式,采用三维有限元方法,计算单芯片组和多芯片组集成电路板的温度场和热应力场。数值模拟结果显示,芯片位置对电路板的温度场和热应力场分布影响很大。合理地布置各芯片,可有效降低电路板的温度极值和应力极值。
三 启发：
目前，我所在实验室的研究课题是“地下水位检测”。该课题就是设计了一套测量地下水位的设备，该设备包括大量的电路板，该电路板均属于双面板。其实这些电路板是可以采用一块多面板（六层板）来代替的，只是加工精度和成本较高。我们在设计时充分考虑了散热的问题，将主要发热部件放置在PCB表面，同时加大了附近覆铜面积。我的启示如下：
1）结合现在的技术我们可以利用有限元分析法确定工作时的温度场。在温度较高的地方，加大覆铜，促进散热。
2）我们也可以利用控制系统本身。在控制系统中加入数字式温度计。例如DS18B20，它仅有三个引脚，功能结构简单，足以满足要求。利用数字温度计感知电路板的温度，通过编程可以设定一个阈值。当温度超过阈值时，有芯片产生信号（定时时间）给定时器，同时进入待机模式。这样相当于休眠，让电路板把温度自然降下或驱动风扇降温。定时结束时，继续工作。当然，阈值的设置相当重要，这需大量实验来确定。
参考文献
[1] 孟凡珍.电磁耦合无级变速器控制方法及热分析：[硕士学位论文]. 广州：华南理工大学车辆工程系，2010
[2]苏壮; 李国权.航空发动机主轴承热分析中边界条件处理方法的研究 .中国航空学会第七届动力年会论文摘要集 , 2010

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