什么是传热？

传热，是热能以热量的形式在具有不同温度的物理系统之间的移动（通过自然对流、传导、强制对流和辐射四种不同的机制）。从烹饪食物或为笔记本电脑散热到发电厂发电，传热几乎影响着现代生活的各个方面。每天，来自太阳的辐射为地球带来热量，就是一个传热过程，正如风暴是由地球大气层中的对流引起的一样。

如热力学第二定律中所述，传热是在任何存在温差的两个系统之间发生的一种自然现象。此外，工程师还可以使用换热器将能量以热量的形式从一个位置转移到另一个位置，从而在需要的地方提供热量，从需要散热的位置移除热量。将产品每个部件的温度保持在预期温度范围内，有助于确保产品的安全性、效率和性能。

从根本上说，传热是关于将热量形式的能量从一个系统转移到另一个系统。该学科旨在研究以热量形式存储或传递的能量有多少，以及能量在不同系统之间的不同传递方式。

下面是传热领域的一些重要术语及其含义。

浮力流

浮力流，是指由于加热而导致局部温度升高和相应密度下降的流体。密度下降产生的浮力导致了较热的流体上升，直至其冷却。然后，随着区域冷却，密度降低，流体区域被重力往下拉。在一锅煮沸的意大利面中，可以很容易地看到这种气流，其中对流气流会导致意大利面在水中翻滚。

热容或热质量

系统的热容是指将系统的温度升高1度所需的热量。热容越高，升高其温度所需的能量就越多。这是传热中一个重要的值，因为它揭示了材料如何对热量做出响应，以及物体加热或冷却的速度有多快。

热通量

热通量可用于测量通过单位面积传递的能量的多少，其由总热量除以被测量表面的面积得出。这个值在传热中十分关键，因为它可以告诉工程师从一个物体到另一个物体或从物体到流体传输的能量。

热源

热源是指通过不同过程来产生热能，包括化学反应、燃烧、核聚变、核裂变、热电、电阻、机械摩擦或流体压力变化等。

传热系数

表面的传热系数（h）可测量表面和接触表面的流体之间的热通量与该表面和流体之间的温差之间的关系。如果知道流体的速度和热属性，就可以计算出该值。其有时也被称为薄膜系数。

质量传递

正如传热是关于热量从一个系统到另一个系统的移动一样，质量传递是关于质量的移动，质量传递在传热中也十分重要，因为系统之间运动的任何质量都具有内部热能，会与质量一起移动。通过散热器流动的空气同时涉及了质量传递和热量传递。

相变

当物质从一种状态转变到另一种状态时，会经历相变。严格来说，相变不是传热，但是它可与传热一起被用于控制系统中的温度。发生相变的材料内部分子键的变化，会在材料从固体转变为液体（熔化）或从液体转变为气体（沸腾或蒸发）时吸收能量，而在材料从气体转化为液体（冷凝）或从液体转化为固体（凝固）时会释放能量。工程师通常利用相变来为系统移除或增加热量。

温度

温度是对物体中使原子和分子发生振动和碰撞的动能的衡量标准。

热导率

材料的热导率（k）是对该材料传导热量的能力的衡量标准。热导率的倒数是热阻。

热能或热量

热量是指物质内部由于亚原子粒子、原子和分子的微观运动而产生的内部能量。温度越高，能量就越高。严格来说，热量仅指传递的热能。不过，大多数人将热量和热能混用。

热平衡

热平衡是指两个接触物体处于相同温度时的状态。当实现热平衡后，两个物体之间的传热就会停止。

热力学

热力学是物理学中的一个分支，主要研究热量、功和温度以及它们如何影响系统的能量和熵以及物质的物理属性。热力学的四大定律对其进行了描述。传热物理学是热力学中的一部分，用于处理物体之间的热量流动。

系统之间的热能的移动可以通过四种模式进行，其中随着热量从温度较高的物体流向温度较低的物体，从而进行能量传递。在大多数情况下，可同时存在两种及以上的传热类型，具体取决于所涉及的物体是否接触、被流体包围还是彼此可直接进行热交换。 

下面给出了每一种模式的简单定义。

自然对流

对流换热热能传递机制中，热量通过流体的运动和动量从一个位置传输到另一个位置。对流有时也叫做强制对流，以将其与严格的对流过程定义区分开来，因为强制对流中的流体流动不是由浮力引起的，而是通过向系统添加能量而产生的。

计算机主板中的风扇冷却就是强制对流换热的一个示例。

热传导

热传导描述了直接接触的两个物体之间或内部存在温差的物体之中的热量的传递。其描述了通过热扩散进行的能量传递，如热传导的傅里叶定律所述。能量传递的速度，由材料的热导率和物体内部或不同物体之间的温度梯度驱动。对于有物理接触的两个物体，两个表面之间的压力和拟合决定了接触热阻。

热传导的示例包括炉子上的锅把手，热量从锅底部向上移动到其壁面并进入把手。

对流

自然对流是流体温差引起的浮力驱动流体的运动所导致的热能传递。工程师通常将其称为自由对流或自然对流，以便与自然对流或强制对流区分开来。

静置一杯热咖啡或茶，就是对流的一个常见示例。热的饮料会将热量传递到空气中，浮力会带走热量。

辐射

辐射传热是一种以电磁波/光子的形式传递热能的机制。热能会导致任何形式的物质中的原子发生移动，而这些原子（质子和电子）中带电粒子的运动会导致电磁辐射。热辐射传热仅发生在真空中或通过对物体温度产生的红外线波长透明的介质产生。 

热能可用于做功，或者由于温差，它也可能对各种系统产生负面影响。工程师利用传热基本原理来控制进入系统的热能量，根据需要在系统中传递热能，并使用一个或多个传递机制从系统中去除热能。

以下列出了一些较为常见的传热应用。

烹饪

通过加热来制作食品，以确保其安全可食用。最初，火被用作热源，其中对流和辐射传热相结合，将热量从燃烧的燃料输送到食物中。

后来，人们发明了烤箱来创造高温环境，其中加热空气的对流和壁面辐射可用于烹饪食物。现代烹饪厨具也使用电阻或电磁感应作为热源，以将能量传递到烹饪容器中。空气炸锅和对流烤箱是对流的应用实例，其用风扇将高温空气吹过食物，从而增加食物的热通量，加快烹饪进度。

电子设备热管理

电子设备散热是现代生活中另一个非常常见的传热应用。电子组件中的电阻会产生热量，并且需使用各种不同的传热方法来移除组件上的热量。

最基本的，例如在手机中，传导可将热能从组件传递到外壳和屏幕，而对流会将热量传递到周围的空气中。对于计算机等温度较高的设备而言，散热器可用于为对流创建较大的表面积，如果需要，还可通过在设备中放置风扇来增加空气的动量，带走热量并提高传热系数。

加热和冷却

此外，人们还使用传热来设计设备和材料，以在结构内部保持舒适的温度：

• 建筑物使用隔热材料来减少从结构内部到外部环境的传热。
• 窗户上的涂层可减少穿过窗户的红外辐射量，空调系统使用相变从空气中吸走热量，并将低温空气送回室内。
• 在加热方面，燃烧或电力可用于加热空气或蒸汽，其将加热的流体输送到需要的地方。

材料加工

从制造金属合金到提取原油中的石油产品，传热在大多数材料加工应用中发挥着至关重要的作用。

在各种情况下，传热都被用于获得和保持原材料中所需的温度，以产生所需的相变、化学反应或冶金改性。通过研究传热，人们可优化材料加工的效率，以最大限度地减少所需的能量。

汽车发动机

内燃机（ICE）会产生大量的热量。尽管有少量发动机依靠空气冷却，但大多数发动机都是使用泵送的水将热量从发动机缸体中抽出，而发动机缸体是由钢或铝等热导体材料制成。

然后，流体经过散热器（位于汽车前面的一个大型换热器），通过对流的方式将热能传递到空气中，具体分为两种情况：在汽车移动时利用车速形成对流，而在车辆静止或缓慢移动时，通过风扇形成对流。

电动汽车传动系统

电动汽车（EV）中的电机和电池会产生大量的热量，我们需要将这些热量从车辆中传递出去。一些系统可通过传导从热源中移除热量，然后使用液体的冷却回路将热量输送到散热器。

航天器

太空电子设备的冷却和加热，尤其是航天器上的CMOS摄像头等传感器，是一种独特的传热问题，因为它们周围没有空气可用于传递热能。设计必须平衡电子设备产生的热量、来自环境中的红外辐射、从太阳吸收的热量以及辐射到太空的热量。为了将太空中组件的温度保持在适当的工作范围内，工程师会使用传导、辐射、对流、热生成和相变的组合方式。

设计热管理系统的工程师，在很大程度上依靠仿真来了解他们所开发的系统并推动其设计，他们可以更快地完成仿真，在设计流程的早期阶段进行仿真，并探索比物理测试多得多的场景。

在某些情况下，仿真可以通过几个方程的形式进行。随着系统变得更加复杂，工程师会使用有限元分析（FEA）、有限差分分析、计算流体力学（CFD）和光线追迹来对传热的传导、对流/平流和辐射模式进行建模。

以下给出了一些关于如何进行准确高效的传热仿真的建议。

1.确定是否以及何时需要稳态或瞬态解

传热是一种时间相关的现象，因为热能在物体之间传递需要一段时间，直到实现热平衡。在开始仿真之前，您应该了解，是需要捕获系统的瞬态行为，还是仅需要了解满足稳态条件后的热通量和温度。

2.了解材料属性

准确的传热计算在很大程度上取决于材料属性，如热导率、热容和辐射率等。使用Ansys Granta等工具来获取和管理热材料属性非常有帮助。

3.了解边界条件和控制体积

应用错误的边界条件或未在物体周围定义合适的控制体积，是在传热仿真中最常见的误差来源之一。在构建模型之前，应注意绘制系统中正在建模的每个区域，并确保您了解每个区域的热通量和热生成情况。

4.准确捕获流体速度

自然对流和强制对流是用于管理系统中的热流的两种最常见模式，而从表面到流体的热通量高度依赖于速度。

Ansys Mechanical有限元分析软件等FEA程序或Ansys Thermal Desktop热建模软件等有限差分程序，则可以在速度已知的情况下，使用传热系数来表示流体的对流传热。根据需要，流体可以简化为1D热流体网络，以更准确地计算系统中流体的传热和速度。这种实践常被应用于汽车发动机、喷气式发动机、核电厂和航天器中。

然而，在无法估计或简化流体流动的复杂系统中，工程师会使用完整的CFD工具（如Ansys Fluent软件）来准确预测流体流动，包括湍流、对流气流和不同流体的混合。将固体中精确的热导率和流体行为相结合的仿真被称为共轭传热仿真。

5.尽可能地简化模型

经验丰富的热工程师都是简化传热仿真系统的专家。在许多情况下，可以用1D网络模型准确捕获系统的部分或全部热行为。3D几何结构也可以大幅简化，因为小特征不会影响传热响应。

Thermal Desktop等工具可以在CAD几何结构可用之前为早期设计研究创建简单模型，并在CAD几何结构在Ansys SpaceClaim中的TD Direct中可用时保持简化。

Ansys SpaceClaim中的TD Direct等工具，可以大幅提升将复杂CAD几何结构转换为适用于瞬态热分析的简化模型的速度。

6.利用电子设备垂直应用的强大功能

电子设备中的传热建模已成为一个专业领域，Ansys Icepak电子冷却仿真软件等，就是专门针对这一重要领域开发的工具。这类垂直应用了解行业特定的术语、几何结构和边界条件，并包括自动化模型构建和后处理步骤的方法。因此，使用垂直应用，不仅可以节省时间，还使非专家用户也能够更轻松地使用仿真。

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