“传热学”本科生教材40年的变迁及其对我们的启示_陶院士.ppt

“传热学”本科生教材40年的变迁及其对我们的启示 陶文铨 院士西安交通大学微型换热器 目 录一、引 言二、近40年内世界科技领域的八大事件及其对传热学教材的影响三、近期欧美传热学教材编写风格以及教学辅助材料的演变四、40多年来本科生传热学教材内容的进一步严密与完善五、对未来数年内本科传热学教学的思考 1一、 引 言2由于在自然界以及各种工程领域中无处不存在温 差，因而无处不存在热量传递现象；使得传热学与工 业生产和日常生活的关系特别密切工业生产和科技领域的发展需求是传热学发展的 根本动力，传热学研究的成果又推动了工业技术的发 展因而传热学的基本原理虽然形成了近一个世纪， 但直至今日仍然是热科学乃至整个技术科学中十分活 跃的学科笔者所能得到的这一时期内出版的国内外的教材有34种，大致可分为三个时间段：前期教材—20世纪60年代左右的教材：[1] Miheev M A. Fundamentals of heat transfer (In Russian) . 3rd edition.1956. [2] 杨世铭，陈大燮编，传热学，北京：中国工业出版社，1961[3] Grober H, Erk S, Grigull U. Fundamentals of heat transfer. 1961[4] Kutateladse S S. Basic theory of heat transfer (In Russian). 1962 [5] Hsu S T. Engineering heat transfer. 1963[6] Shorin S N. Heat transfer (In Russian). 1964中期教材：介于1965－1995的教材[7] Holman J P. Heat transfer (4th edition). New York: McGraw-Hill Book Company, 1976 [8] 威尔蒂 J R著，任泽霈 罗棣庵等译. 工程传热学. 北京：人民教育出版社1982（原书出版 于1978年） [9] 苏塞克J. 传热学.俞佐平等译.北京：高等教育出版社，1980 [10] Thomas L C. Fundamentals of heat transfer. New Jersey: Prentice Hall, Inc., 1980,292 [11] 杨世铭主编. 传热学. 北京:高等教育出版社，1980 [12] Lienhard J H. A heat transfer textbook. New Jersey: Prentice Hall, Inc., 1981 [13] 伊萨琴科 В Π等著. 传热学. 王丰等译. 北京：高等教育出版社，1987（原版教材出版 于1981） [14] Todd J P, Ellis H B. Applied heat transfer. New York: Harper (3) 列出专节予以重点叙述，例如Lienhard 父子的教材。

图9 美国航天局给出的南极臭 氧层空洞照片图10 严重的干旱造成物种灭绝图11 Lienhard父子传热学教材中的插图2.5 可持续发展战略及新能源与可再生能源的开发与 传热学的关系世界性的化石燃料的日渐枯竭，环境问题的日益严重引起了世界各国的关注我国政府在1994年编制的“中国21世纪议程”中指出：走可持续发展道路是中国在未来几年和下一世纪发展自身需要的必然选择在我国能源发展的中长期规划中，制订了以节能为主以及发展新能源与替代能源的政策首先执行可持续发展战略和节能为主的方针，要求对传热强化技术予以足够的关注，同时在介绍强化对流换热的技术时，必须指出，任何强化技术都会引起流动阻力的增加；只有那些按照一定的约束条件（如泵功一定，压降一定）的技术才能节能； 其次在开发新能源与替代能源中的传热问题应当引起我们的重视（燃料电池，太阳能…)其中最可以引入教材的是太阳能利用中的传热问题太阳能作为一种无污染、可再生的能源，已经在世界范围内得到广泛的应用，尤其是太阳能集热器太阳能存在着能流密度低以及不能维持常量的缺点要有效合理地利用太阳能以及其他能源（例如地热），传热学可以发挥重大的作用。

从传热学教学的角度，太阳能集热器是一个非常好的综合例题，它既贴近学生的日常生活，又能带出多个传热问题: 图12 PEMFC (proton exchange membrane fuel cell)质子交换膜燃料电池的电化学反应示意图 8图13 太阳能集热器 图14 在楼宇顶面的太阳能集热器封闭腔辐射换热选择性涂层保温层散热肋壁温度场分析有限空间自然对流图15 太阳能耐集热器传热问题随着家用空调的普及空调系统节能程度成为全世界空调厂商吸引顾客的一个重要指标，使家用空调中的两器—冷凝器与蒸发器传热强化的研究呈现常兴不衰的势头：空气侧的翅片，由平片、波纹片、到开缝片；对于水－制冷剂的传热过程，已经有单纯考虑制冷剂侧外部相变的强化发展到制冷剂侧与水侧同时强化，即双侧强化（double-enhanced），为我们提供了强化传热要抓主要矛盾的一个范例 (a)平片(b)波纹片 (c)开缝片图16 空气侧强化换热翅片的演进图17 沸腾换热双侧强化管 (a)二维微肋管 (b) 三维微肋管图 18 家用空调器中采用的微肋管（管子内直径～9mm）2.5 MEMS技术与纳米技术的兴起对传热学教材的影 响上世纪末随着许多高新技术的发展，涌现出了很多空间 上微细化（从毫米级到微米，从微米到纳米）以及时间上的 极短暂热量传递过程，出现了微机电系统技术（MEMS）、 纳米技术以及激光脉冲加热、激光武器等新技术，由此为传 热学开辟了一个崭新的领域—微米纳米传热学，使传热学的 研究范围从空间到时间均跨越了20数量级。

由此引起的对传 热学发展的长期影响目前还难以完全估量 图 19 传热学研究问题跨越的空间尺度范围图 20传热学研究问题跨越的时间尺度范围三．近期欧美传热学教材编写风格以及教学辅助材料的演变3.1 教材编写风格、体例的演变 美国工程教育曾有过争辩，双方各持一种理由：一方认为 美国的大学教学过于偏重理论及机理的教学而忽视了工程应用 ，提出了所谓“回归工程”的说法；而另一方则认为对原理与基 本概念的理解正是对各种设备、系统进行正确运行和发展新工 艺所必须的当时Purdue 大学的两位教授，Incropera 与 DeWitt正在修订他们的名作，他们在前言中写道：我们对两种 意见都同意：我们一方面要对学生加强工程训练，同时使学生 对基本原理有较好地理解也是十分重要的两个方面不是互相 排斥，而是相辅相成的 在这样的思想的指导下，以他们编著的教材为代表，在内容组织与编写体例上与早期和中期的教材相比都发生了明 显的变化 ：（1）论述由浅入深、由简到繁，系统性与科学性进一步增强为了做到这一点，除了作者们精心选择例题作为讲授基本 原理载体以外，在写作上一般每章开始阐述本章的教学目的， 结尾进行简要的总结（Summary），并且一般做到不是简单 地重复本章中已经介绍的内容。

2）规范解决问题的思路与科学方法由于解决实际复杂工程问题时一般都要经历进行合理简化以 建立起物理模型，根据基本守恒原理建立起数学模型，然后求解 并所得到的解这样的总体步骤3）注重学生应用能力与创新能力的培养大致有以下一些方式来实现这一目标：1）从工程实际问题或日常生活中精选出一些题目作为例题或习题，例如上文提到的IBM公司的导热模块分析；2）在每章习题中增加“设计及论文题”，或者引入一些所谓没有唯一解的题目（open-ended problems）, 例如Holman 的第9版就增加了大约100多道这样的题目4）有大量的来自不同工程领域与日常生活的习题与例题 这是近年来欧美教材的一种变化趋势，例如[24] 中有 1127个习题，在[25]中有1707题，其中基本内容部分为1275 题，在[31]中有1415题这些题目中除了少量是复习基本内容 以外，不少是从各种工程领域和日常生活中提炼出来的 （5）插图丰富，具有趣味性与启迪性这尤以[25,33] 最为突出为了说明污垢热阻的影响，给 出了下左图所示的照片，用下右图表示人体散热的大致情况 图21 过热器管子上的积灰 图22 夏天人体的散热示意图3.2 教学辅助材料的演变美国教材历来配有内部发行的题解，近期教材又增加了：1）电子版本；2）计算机解题软件。

例如[31]就有“交互式传热学”（Interactive heat transfer, IHT）以及“有限元传热学”（Finite element heat transfer，FEHT）两种解题软件在IHT中有前处理，解题器与后处理三部分，用于求解教材中需要用计算机求解的问题，而FEHT则采用有限元法来求解一维和二维的稳态与非稳态导热问题 四．40多年来本科生传热学教材内容的进一步严密与完善在20世纪50年代，传热界对于加热表面上什么地点是最有利的气化核心尚无明确的认识 1959年Labuntzov 指出加热面的凹坑、刻缝是最有利于成为气化核心的地点1973年西安交大热工教研室的实验发现，在光管外包一层金属丝网的管子可使沸腾得到成倍强化，可惜因未能成功地解决制造工艺问题而没有付之实用1975年日本公司开发出了Thermoexcel-E 型沸腾换热强化管，充分利用了这一思想从气化核心问题到多种商用沸腾换热强化表面的开发给我们一个重要的启示：看来似乎是一个纯学术问题，一旦研究清楚并变成生产力，会产生巨大经济效益 4.1 表面的微小突起与尖峰是强化膜状凝结换热的 有效技术膜状凝结的主要热阻在液膜，减薄液膜可强化凝结换热，这在早期传热学著作中都已明确，但表面上的尖峰可以减薄液膜，所有的早、中期教材中都未提出。

这一强化技术是从制冷机冷凝器的改革发端的在卤代烃制冷剂冷凝器中早就采用整体式低肋管早期的研究认为肋片只起到增加面积的作用，60－70年代的凝结换热对比实验确认，肋片不仅增加了传热面积而且还强化了凝结换1973年上海冷气机厂试制成功我国第一台高效整体式低肋管冷凝器 ，其铜管耗量较老产品减少了2/3，获得了1978年全国科学大会奖在该项目的总结论文中，分析了表面尖峰处表面张力使 液膜减薄的原因图23 肋表面上表面张力作用分析按笔者的看法，“强化膜状凝结就要减薄液膜厚度、尖峰可以有效地减薄液膜厚度；增加气化核心可以强化沸腾换热、表面凹坑有利于形成气化核心”，应当成为本科生相变换热教学中强化换热的基本原则而予以强调 但目前本文所引的国内外的近期教材中只有个别教材对凝结换热的强化技术作了介绍，而文献某些教材中没有引入凝结换热的上述强化技术，不能不认为是一种欠缺4.3 Heisler图适用于Fo大于一定值后的全部Fo 数范围在传热学非稳态导热正规状况法（西方教材称为单项逼近法，或充分发展阶段）的适用条件上，教材[9]曾经认为Heisler 图除了Fourier 数小于0.2 时不能使用外，当Fo趋近无限时也不能使用，理由是当Fo趋近无限时，物体各点的温度应趋于一致，而Heisler的辅图则表明，物体中各点温度永远存在差异。

这一观点显然不妥当时间趋于无限时，物体中各点的过余温度均趋于无限小，但是无限小本身仍有数量级的差别，因此各点过余温度的比值仍然保持为定值4.1 Gnielinski 公式是精确度高、适用范围寛的管槽内湍流对流换热关联式管内湍流对流换热的计算关联式可以说是本科生传热学中一个最基本的关联式，使用最广泛的大概是： 我们推荐使用Gnielinscki公式：4.4 固体表面间的辐射换热必须以封闭腔为计算区域 组成封闭腔的固体表面间的辐射换热是本科传热学辐射部。