传热学综述及在航空航天中的应用

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　　传热学基本原理
　　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)]。

　　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：

　　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。
　　热辐射是由于物体内部微观粒子的热运动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：

　　式中：Φ为辐射热流量(W);T为热力学温度(K);A为辐射表面积(㎡);

　　σ为斯特藩-波尔兹曼常数，也称黑体辐射常数，其值为 。
　　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ε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。
　　二 .传热学在工程中的应用
　　能源是人类存在的基石，也是人类文明的动力。热量是能源利用过程中最主要的物质，传热学则是研究因温度差异引起的热量传递过程的一门学科。
　　传热学的应用无处不在，包括能源动力、冶金、化工、交通、建筑建材、机械以及食品、轻工、纺织、医药等传统工业，航空航天、核能、微电子、材料、生物医学工程、环境工程、新能源以及农业工程等很多高新技术领域。随着理论试验研究与生产生活的结合，衍生出微尺度传热、生物传热相变与多相流传热、低温传热、等许多交叉分支学科。
　　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。
　　在机械加工和机械设计的过程中，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、结构的温度不能超过某一设定值等方面。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。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。
　　在航空航天方面，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。
　　随着航天技术水平的不断进步，低温领域研究的重要性变得日益重要起来。在卫星、火箭燃料、航天飞机及其所携带的红外遥感和电子设备上，在航天器的地面模拟装置等方面，均需要用到低温技术和相应的装备。考虑到未来超导技术的大规模应用前景和氢气作为清洁能源成为车辆的主要燃料，低温技术的应用范围将更加广阔。仅就目前阶段的主要应用—航天方面而言，对材料和技术水平的要求已经相当高，在机械方面，驱动元件大多是电动机，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。
　　相当多的传热技术是从军事用途开始发展并逐步走向完善和大规模应用的。例如战斗机燃气涡轮发动机的技术参数一贯代表这一领域的最高水平。20世纪末，军用战斗机发动机的涡轮前燃气温度已经达到1750K，正在研制的新机型甚至达到1860K!若没有非常有效的冷却技术，这么高的温度是无法想象的。再如红外摄像装置和传感器，最早也仅用于军事目的，像侦察用的夜视仪、导弹的红外跟踪寻的装置等。现在高灵敏度的红外摄像仪已经大量用于和平目的，如大范围的火灾报警和防护、洪水的监视、资源勘查、环境保护(用装在人造卫星上的红外摄像机可以大范围地监视地面和海岸线等的污染状况)等。此外，从地面军车到军舰、飞机、卫星，都离不开各种类型的高效换热设备。

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