傳熱學(xué)的發(fā)展歷史及其現(xiàn)狀

1、Prepared on 22 November 2020傳熱學(xué)的發(fā)展歷史及其現(xiàn)狀 摘要：20世紀(jì)初，傳熱學(xué)從物理學(xué)中的熱學(xué)部分獨(dú)立出來而成為一門學(xué)科。一百多年 來，傳熱學(xué)研究者們對(duì)傳熱現(xiàn)象進(jìn)行了廣泛深入的研究，發(fā)表了大量的科學(xué)論著和研究 報(bào)告，并出版了大量有價(jià)值的學(xué)術(shù)專著，促進(jìn)了傳熱學(xué)理論的完善和學(xué)術(shù)的發(fā)展。歷史 總是向前發(fā)展的，盡管現(xiàn)有傳熱學(xué)具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，也取得了巨大成就，但新出現(xiàn) 的現(xiàn)象已與現(xiàn)有的傳熱學(xué)體系產(chǎn)生了尖銳的矛盾，使現(xiàn)有的傳熱學(xué)理論捉襟見肘，暴露 出其局限性。關(guān)鍵詞：傳熱學(xué)發(fā)展歷史現(xiàn)有困境突破、引言傳熱學(xué)是研究由溫度差異引起的熱量傳遞過程的科學(xué)。傳熱現(xiàn)象在我們的曰常生活中司

2、 空見慣，早在人類文明之初，人們就學(xué)會(huì)了燒火取暖。隨著工業(yè)革命的到來，蒸汽機(jī)、 內(nèi)燃機(jī)等熱動(dòng)力機(jī)械相繼出現(xiàn)，傳熱研究更是得到了飛速的發(fā)展，被廣泛地應(yīng)用于工農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)與人們的曰常生活之中。當(dāng)今世界.國與國之間的競爭是經(jīng)濟(jì)競爭。而伴隨著經(jīng) 濟(jì)的高速發(fā)展.也帶來了資源、人口與環(huán)境等重大國際問題。傳熱學(xué)在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和 加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)方面起著舉足輕重的作用。近年來，隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的興起，環(huán)境問題日益嚴(yán)重。重點(diǎn)整治環(huán)境，保障人民的身體健 康已成為實(shí)現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略。傳熱學(xué)的研究極大地提高了能源利用效 率，不但節(jié)約能源，同時(shí)也大大減少了各種廢料的排放量，最大限度地控制了現(xiàn)代工業(yè) 文明對(duì)自然生態(tài)系

3、統(tǒng)的破壞。在2050年以前我國能源結(jié)構(gòu)仍將以“非潔凈能源”一煤為 主，傳熱研究在環(huán)境和生態(tài)領(lǐng)域方面所起的重要作用是顯而易見的。人們?cè)絹碓疥P(guān)注的 生命科學(xué)也離不開傳熱學(xué)。生命系統(tǒng)是一個(gè)典型的耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，生命通過與賴以生存 的環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換而得以維持。對(duì)生命系統(tǒng)中的能量與物質(zhì)傳輸?shù)恼J(rèn)識(shí)ffs 待進(jìn)行傳熱學(xué)研究。隨著人體環(huán)境學(xué)的發(fā)展尤其是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中諸如低溫外科手術(shù)、 移植器官冷凍儲(chǔ)存、腫瘤加熱療法、疾病熱診技術(shù)，以及燒傷凍傷、燙傷等臨床醫(yī)學(xué)和 康復(fù)醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，要求人們深人認(rèn)識(shí)人體傳熱的特性和機(jī)制。總之，21世紀(jì)的能源問題、經(jīng)濟(jì)環(huán)境問題和生命科學(xué)問題都要求傳熱學(xué)研究作出積極配 合，加強(qiáng)

4、相應(yīng)的科學(xué)儲(chǔ)備，迎接一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。二、傳熱學(xué)的發(fā)展史18世紀(jì)30年代首先從英國開始的工業(yè)革命促進(jìn)了生產(chǎn)力的空前發(fā)展。生產(chǎn)力的發(fā)展為 自然科學(xué)的發(fā)展和成長開辟了廣闊的道路。傳熱學(xué)這一門學(xué)科就是在這種大背景下發(fā)展 成長起來的。導(dǎo)熱和對(duì)流兩種基本熱量傳遞方式早為人們所認(rèn)識(shí)，第三種熱量傳遞方式則是在1803 年發(fā)現(xiàn)了紅外線才確認(rèn)的，它就是熱輻射方式。三種方式基本理論的確立則經(jīng)歷了各自 獨(dú)特的歷程。直到20世紀(jì)初，傳熱學(xué)才從物理學(xué)中的熱學(xué)部分獨(dú)立出來而成為一門學(xué) 科。目前，通過對(duì)熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種傳熱方式的研究，傳熱學(xué)已經(jīng)具備了較為完 整的理論基礎(chǔ)，形成了相對(duì)成熟的學(xué)科體系。19世紀(jì)初，蘭貝特、

5、畢渥和傅里葉都從固體一維導(dǎo)熱的實(shí)驗(yàn)研究入手開展了研究。1804 年畢渥根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出了一個(gè)公式，認(rèn)為每單位時(shí)間通過每單位面積的導(dǎo)熱熱量正比例于 兩側(cè)表面溫差，反比例于壁厚，比例系數(shù)是材料的物理性質(zhì)。這個(gè)公式提高了對(duì)導(dǎo)熱規(guī) 律的認(rèn)識(shí)，只是粗糙了一點(diǎn)。傅里葉在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，十分重視數(shù)學(xué)工具的運(yùn) 用，很有特色。他從理論解與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比中不斷完善他的理論公式，取得的進(jìn)展令人矚 目。1807年他提出了求解場微分方程的分離變量法和可以將解表示成一系列任意函數(shù)的 概念，得到學(xué)術(shù)界的重視。1812年法國科學(xué)院以“熱量傳遞定律的數(shù)學(xué)理論及理論結(jié)果 與精確實(shí)驗(yàn)的比較”為題設(shè)項(xiàng)競獎(jiǎng)。經(jīng)過努力，傅里葉于1822年發(fā)

6、表了他的著名論著“熱 的解析理論”，成功地完成了創(chuàng)建導(dǎo)熱理論的任務(wù)。他提出的導(dǎo)熱定律正確概括了導(dǎo)熱 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，現(xiàn)稱為傅里葉定律，奠定了導(dǎo)熱理論的基礎(chǔ)。傅里葉被公認(rèn)為導(dǎo)熱理論的 奠基人。流體流動(dòng)的理論是對(duì)流換熱理論的必要前提。1823年納維提出的流動(dòng)方程可適用于不可 壓縮性流體。此方程1845年經(jīng)斯托克斯改進(jìn)為納維一斯托克斯方程，完成了建立流體 流動(dòng)基本方程的任務(wù)。1880年雷諾提出了一個(gè)對(duì)流動(dòng)有決定性影響的無量綱物理量群， 在1880至1883年間雷諾進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)流動(dòng)層流向湍流的轉(zhuǎn)變發(fā)生在 雷諾數(shù)的數(shù)值為1800至2000之間，澄清了實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的混亂，對(duì)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究作出 了

7、重大貢獻(xiàn)。具有突破意義的進(jìn)展要推1909和1915年努謝爾特兩篇論文的貢獻(xiàn)。他對(duì) 強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流的基本微分方程及邊界條件進(jìn)行量綱分析獲得了有關(guān)無量綱數(shù)之間 的原則關(guān)系。開辟了在無量綱數(shù)原則關(guān)系正確指導(dǎo)下，通過實(shí)驗(yàn)研究求解對(duì)流換熱問題 的一種基本方法，有力地促進(jìn)了對(duì)流換熱研究的發(fā)展。1921年波爾豪森在流動(dòng)邊界層概 念的啟發(fā)下又引進(jìn)了熱邊界層的概念。1930年他與施密特及貝克曼合作，成功地求解了 豎壁附近空氣的自然對(duì)流換熱。1925年的普朗特比擬，1939年的卡門比擬以及1947年 馬丁納利的引伸記錄著早期發(fā)展的軌跡。由于湍流問題在應(yīng)用上的重要性，湍流計(jì)算模 型的研究隨著對(duì)湍流機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷

8、深化而蓬勃發(fā)展，逐漸發(fā)展成為傳熱學(xué)研究中的一 個(gè)令人矚目的熱點(diǎn)。它也有力地推動(dòng)著理論求解向縱深發(fā)展。還應(yīng)該提到，在對(duì)流換熱 理論的近代發(fā)展中，麥克亞當(dāng)、貝爾特和?？颂叵群笞鞒隽酥匾暙I(xiàn)。在熱輻射的早期研究中.認(rèn)識(shí)黑體輻射的重要意義并用人工黑體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究對(duì)于建立 熱輻射的理論具有重要作用。1889年盧默等人測得了黑體輻射光譜能量分布的實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)。19世紀(jì)末斯蒂芬(J, Stefan)根據(jù)實(shí)驗(yàn)確立了黑體輻射力正比于它的絕對(duì)溫度的四次方的規(guī)律，后來在理論上被玻耳茲曼所證實(shí)。這個(gè)規(guī)律被稱為斯蒂芬一玻耳茲曼定律。熱輻射基礎(chǔ)理論研究中的最大挑戰(zhàn)在于確定黑體輻射的光譜能量分布。1896年維恩通過 半理論半

9、經(jīng)驗(yàn)的方法推導(dǎo)出一個(gè)公式。這個(gè)公式雖然在短波段與實(shí)驗(yàn)比較符合，但在長 波段則與實(shí)驗(yàn)顯著不符。幾年后，瑞利從理論上也推導(dǎo)出一個(gè)公式，此公式1905年又 經(jīng)過金斯改進(jìn)，后人稱它為瑞利一金斯公式。這個(gè)公式在長波段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較符合而 在短波段則與實(shí)驗(yàn)差距很大，而且隨著頻率的增高，輻射能量將增至無窮大，這顯然是 十分荒唐的。瑞利一金斯公式在高頻部分即紫外部分遇到了無法克服的因難簡直是理 論上的一場災(zāi)難，因此被稱為“紫外災(zāi)難”?！白贤鉃?zāi)難”的出現(xiàn)使人們強(qiáng)烈地意識(shí)到，原 先以為已經(jīng)相當(dāng)完美的經(jīng)典物理學(xué)理論確實(shí)存在著問題。問題的解決有賴于觀念上新的 突破。普朗克決心找到一個(gè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符的新公式。經(jīng)過艱苦努

10、力，他終于在1900 年提出了一個(gè)公式。其后的實(shí)驗(yàn)證實(shí)普朗克公式與實(shí)際情況在整個(gè)光譜段完全符合。在 尋求這個(gè)公式的物理解釋中，他大膽地提出了與經(jīng)典物理學(xué)的連續(xù)性概念根本不同納新 假說，這就是能量子假說。按照量子理論確立的普朗克定律正確地揭示了黑體輻射能量 光譜分布的規(guī)律，奠定了熱輻射理論的基礎(chǔ)。1935年波略克借鑒商務(wù)結(jié)算提出的凈輻射 法，1954年霍特爾提出、1967年又加以改進(jìn)的交換因子法以及1956年奧本亥姆提出的 模擬網(wǎng)絡(luò)法，是三種受到重視的計(jì)算方法。他們分別為完善此類復(fù)雜問題的計(jì)算方法作 出了貢獻(xiàn)。百多年來，傳熱學(xué)研究者們對(duì)傳熱現(xiàn)象進(jìn)行了廣泛深入的研究，發(fā)表了大量的科學(xué)論 著和研究報(bào)

11、告，并出版了大量有價(jià)值的學(xué)術(shù)專著。研究成果在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、空間和生物 技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，在提高傳熱效率、降低材料消耗和產(chǎn)品成本方面產(chǎn) 生了重大的經(jīng)濟(jì)效益?？偨Y(jié)和概括一下現(xiàn)有的工作，包括傳熱學(xué)的基本概念和基本規(guī) 律，指出存在的問題和今后的發(fā)展方向有著十分重要的意義總之，傳熱學(xué)本身是一門跨 行業(yè)專業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)性交叉學(xué)科，它是在數(shù)學(xué)（主要是微分方程理論）、熱力學(xué)、流體力 學(xué)和量子力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，同時(shí)它還必須建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。因此傳熱學(xué)的 發(fā)展一方面依賴數(shù)學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)和量子力學(xué)理論的進(jìn)展，另一方面還需不斷發(fā) 展的科學(xué)測量技術(shù)來配合。三、現(xiàn)有傳熱學(xué)的困境及其突破歷史總是向前

12、發(fā)展的，盡管現(xiàn)有傳熱學(xué)具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，也取得了巨大成就，但新 出現(xiàn)的現(xiàn)象已與現(xiàn)有的傳熱學(xué)體系產(chǎn)生了尖銳的矛盾，使現(xiàn)有的傳熱學(xué)理論捉襟見肘， 暴露出其局限性。下面從幾個(gè)方面來闡述。1現(xiàn)有傳熱學(xué)中的線性理論和概念與非線性問題的矛盾自然界的系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng)，傳熱學(xué)所要處理的問題都是非線性問題。眾所周知，線 性分析法是一種近似方法，長期以來，它被廣泛地應(yīng)用到對(duì)非線性問題的處理上。但是 簡單的線性近似方法不可能認(rèn)識(shí)與非線性有關(guān)的特性。人們也只有對(duì)非線性系統(tǒng)了解以 后，才能對(duì)線性分析方法的有效性作一評(píng)判。而到目前為止，人們對(duì)傳熱問題的分析方 法絕大多數(shù)是線性分析法。例如傅里葉導(dǎo)熱定理就是線性定律，盡

13、管它在大多數(shù)情況下 是實(shí)用的，但是在一些非線性和非平衡因素較強(qiáng)的場合已遇到了挑戰(zhàn)。如對(duì)極非均勻材 料以及在高速加熱和冷卻的場合它就不適用。此外目前的對(duì)流換熱研究，均采用了準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的概念，這實(shí) 際也是一種線性近似。用線性的方法來處理非線性的對(duì)象這使得傳統(tǒng)傳熱學(xué)的理論研 究不時(shí)陷入尷尬的境地。2.極端條件下的傳熱現(xiàn)象與常規(guī)傳熱理論的矛盾現(xiàn)有傳熱學(xué)是在處理常規(guī)現(xiàn)象的過程中發(fā)展起來的。高新技術(shù)的興起，人類所涉足的領(lǐng) 域與活動(dòng)空間日益開拓，從而提出了很多極端條件下待解決的問題。極端條件下的傳熱 具有很多與常規(guī)條件下不同的傳熱特性，并不能單靠常規(guī)的傳熱理論來解決。隨著計(jì)算 機(jī)的小型化和微型化，微尺度傳熱

14、的研究成為高技術(shù)發(fā)展中又一個(gè)新興前沿?zé)狳c(diǎn)。計(jì)算 機(jī)的高速化使芯片受超高頻率的沖擊，大功率短脈沖激光加工技術(shù)同樣遇到了時(shí)間尺度 以納秒、皮秒，甚至飛秒計(jì)的超快速過程，并引。起所傳輸光子流能束與物質(zhì)之間的相 互作用問題。在這種超短促的高頻下，芯片、薄膜材料與基座中會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)導(dǎo)熱，強(qiáng)化 傳播中的熱量在固體內(nèi)部的穿透深度。在航天技術(shù)中將遇到重力微尺度化而使自然對(duì)流 嚴(yán)重削弱，以至于消失。這時(shí)會(huì)出現(xiàn)正常重力條件下不會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象.如被稱為“第二 自然對(duì)流”的Marangoni流動(dòng)以及反常多相流型等，這些必須用新的觀點(diǎn)才能解釋。3.曰益擴(kuò)大的應(yīng)用范圍與現(xiàn)有傳熱學(xué)研究對(duì)象的矛盾社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使傳熱學(xué)

15、的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了傳熱學(xué)的傳統(tǒng) 研究范圍。環(huán)境、材料、生命等學(xué)科中均涉及到傳熱問題，環(huán)境傳熱是巨型尺度的問 題材料特別是高新技術(shù)材料中的傳熱問題是多因素的復(fù)合問題，生命科學(xué)中的傳熱是 復(fù)雜系統(tǒng)問題。低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)面臨的是低溫下的傳熱問題。另外，食品原料的冷藏 保鮮和生物制品的儲(chǔ)備與儲(chǔ)存也是傳熱學(xué)的研究范圍。這些日益擴(kuò)大的應(yīng)用范圍對(duì)現(xiàn)有 傳熱學(xué)的應(yīng)用滲透提供了廣闊的新天地，也對(duì)傳勢(shì)學(xué)的研究提出了新的挑戰(zhàn)。為了使傳統(tǒng)的傳熱學(xué)研究走出目前低迷和徘徊的狀態(tài)，傳熱學(xué)研究必須突破傳統(tǒng)研究方 法，從觀念上、理論體系上來一次全面的變革，在研究思路、分析問題方式上開辟新路 子，尋求新理論，吸取其

16、他學(xué)科的最新研究成果橫向發(fā)展傳熱學(xué);在應(yīng)用領(lǐng)域，既要 在傳統(tǒng)的工業(yè)繼續(xù)研究，橫向發(fā)展傳熱學(xué)，又要不斷從高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中提煉課題，縱向 發(fā)展傳熱學(xué)。傳熱學(xué)的未來發(fā)展必須從以下幾個(gè)方面來考慮：(1)傳熱學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展需要?jiǎng)?chuàng)造性的理論思維。現(xiàn)有傳熱學(xué)的研究對(duì)象以宏觀現(xiàn)象為 主，如傳熱量、溫度和壓力等都是宏觀熱力學(xué)參數(shù)。但是僅對(duì)這些宏觀現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn) 滿足不了曰益發(fā)展的科學(xué)技術(shù)對(duì)該學(xué)科的要求。傳熱學(xué)的研究應(yīng)從宏觀到微觀、從平均 到瞬時(shí)、從現(xiàn)象分析到機(jī)理來進(jìn)行研究。信息科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)的飛速發(fā)展, 為傳熱學(xué)的研究提出了許多新的課題，促進(jìn)了許多新的傳熱分支，如分子傳熱學(xué)、微尺 度傳熱學(xué)、生物傳熱學(xué)的

17、出現(xiàn)和發(fā)展。傳熱學(xué)的研究內(nèi)容應(yīng)由傳統(tǒng)的單一性向多樣化轉(zhuǎn) 變。近年來迅猛發(fā)展的非線性科學(xué)，如耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)理論、突變理論、分形理 論和混沌理論等都已被廣泛地運(yùn)用到傳熱學(xué)的研究中來。因此傳熱學(xué)的研究在方法上應(yīng) 由傳統(tǒng)理論向多學(xué)科交叉開拓，這需要?jiǎng)?chuàng)造性的理論思維。(2)傳熱學(xué)自誕生之日起，就屬于實(shí)驗(yàn)科學(xué)的范疇，因此傳熱學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展仍離不開實(shí) 驗(yàn)。高精度設(shè)備、先進(jìn)的測量技術(shù)和控制方法的采用，研究手段逐步高新技術(shù)化。高新 技術(shù)如光纖技術(shù)、激光、超聲、電子等的發(fā)展為傳熱學(xué)的研究提供了先進(jìn)的測試手段和 分析方法，這使得深化傳熱學(xué)的研究成為可能。(3)計(jì)算技術(shù)的提高和大容量、高速計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，為傳熱學(xué)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。計(jì) 算技術(shù)的興起促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析方法的發(fā)展。很多分析方法在各門學(xué)科的研究 中得到完善和發(fā)展。未來傳熱學(xué)的研究，應(yīng)充分利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，這將 是人們認(rèn)識(shí)復(fù)雜現(xiàn)象的有效途徑。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，不但可用于研究已知的一 些傳熱現(xiàn)象，而且可以發(fā)現(xiàn)新的傳熱現(xiàn)象。例如計(jì)算機(jī)對(duì)分子運(yùn)動(dòng)的成功模擬大大促進(jìn) 了分子傳熱學(xué)的發(fā)展，對(duì)微重力條件下傳熱現(xiàn)象的模擬促進(jìn)了微重力熱科學(xué)的誕生。四、總結(jié)在18世紀(jì)以前，人們就有冷暖、熱量傳遞的概念，并積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但這時(shí) 傳熱學(xué)仍處于前科學(xué)階段，還沒有形成自己的理論和范式。隨著工業(yè)革命的出現(xiàn)，大量 工業(yè)應(yīng)用