传热学发展简史

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传热学发展简史

  摘自《传热学》（杨世铭）高等教育出版社，1998年12月第3版PP11-14

     18世纪30年代首先从英国开始的工业革命促进了生产力的空前发展。生产力的发展为自然科学的发展成长开辟了广阔的道路。传热学这一门学科就是在这种大背景下发展成长起来的。导热和对流两种基本热量传递方式早为人们所认识，第三种热量传递方式则是在1803年发现了红外线才确认的，它就是热辐射方式。三种方式基本理论的确立则经历了各自独特的历程。
      在批判“热素说”确认热是一种运动的过程中，科学史上的两个著名实验起着关键作用。其一是1798年伦福特(B．T．Rumford)钻炮筒大量发热的实验，其二是1799年戴维(H．Davy)两块冰块摩擦生热化为水的实验。确认热来源于物体本身内部的运动开辟了探求导热规律的途径。19世纪初，兰贝特(J．H．Lmbert)、毕渥(J．E．Biot)和傅里叶(J．B．J．Fourier)都从固体一维导热的实验研究入手开展了研究。1804年毕渥根据实验提出了一个公式，认为每单位时间通过每单位面积的导热热量正比例于两侧表面温差，反比例于壁厚，比例系数是材料的物理性质。这个公式提高了对导热规律的认识，只是粗糙了一点。傅里叶在进行实验研究的同时，十分重视数学工具的运用，很有特色。他从理论解与实验的对比中不断完善他的理论公式，取得的进展令人瞩目。1807年他提出了求解场微分方程的分离变量法和可以将解表示成一系列任意函数的概念，得到学术界的重视。1812年法国科学院以“热量传递定律的数学理论及理论结果与精确实验的比较”为题设项竞奖。经过努力，傅里叶于1822年发表了他的著名论著“热的解析理论”，成功地完成了创建导热理论的任务。他提出的导热定律正确概括了导热实验的结果，现称为傅里叶定律，奠定了导热理论的基础。他从傅里叶定律和能量守恒定律推出的导热微分方程是导热问题正确的数学描写，成为求解大多数工程导热问题的出发点。他所提出的采用无穷级数表示理论解的方法开辟了数学求解的新途径。傅里叶被公认为导热理论的奠基人。在傅里叶之后，导热理论求解的领域不断扩大，许多学者作出了贡献，其中，雷曼(G．F．B．Riemann)、卡斯劳(H．S．Carslaw)、耶格尔(J．C．Jaeger)和亚科布(M．Jakob)等人的工作值得重视。
         流体流动的理论是对流换热理论的必要前提。1823年纳维(M．Navier)提出的流动方程可适用于不可压缩性流体。此方程1845年经斯托克斯(G．G．Stokes)改进为纳维—斯托克斯方程，完成了建立流体流动基本方程的任务。然而，由于方程式的复杂性，只有很少数简单流动能进行求解，发展遇到了困难。这种局面一直等到1880年雷诺(O．Reynolds)提出了一个对流动有决定性影响的无量纲物理量群之后才有改观。这个物理量群后被称为雷诺数。在1880至1883年间雷诺进行了大量实验研究，发现管内流动层流向湍流的转变发生在雷诺数的数值为1800至2000之间，澄清了实验结果之间的混乱，对指导实验研究作出了重大贡献。比单纯流动更为复杂的对流换热问题的理论求解进展不大。1881年洛仑兹(L．Lorentz)自然对流的理论解，1885年格雷茨(L．Gratz)和1910年努谢尔特(W．Nusse1t)管内换热的理论解及1916年努谢尔特凝结换热理论解分别作出了贡献，只是为数不多。具有突破意义的进展要推1909和1915年努谢尔特两篇论文的贡献。他对强制对流和自然对流的基本微分方程及边界条件进行量纲分析获得了有关无量纲数之间的原则关系。开辟了在无量纲数原则关系正确指导下，通过实验研究求解对流换热问题的一种基本方法，有力地促进了对流换热研究的发展。考虑到量纲分析法在1914年才由白金汉(E．Buckingham)提出，相似理论则在1931年才由基尔皮切夫（ ）等发表，努谢尔特的成果有其独创性。努谢尔特于是成为发展对流换热理论的杰出先驱。在微分方程的理论求解上，两个方面的进展发挥了重要作用。其一是普朗特（L．Prandtl）于1904年提出的边界层概念。他认为，低粘性流体只有在横向速度梯度很大的区域内才有必要考虑粘性的影响，这个范围主要处在与流体接触的壁面附近，而其外的主流则可以当作无粘性流体处理。这是一个经过深思熟虑、切合实际的论断。在边界层概念的指导下，微分方程得到了合理的简化，有力地推动了理论求解的发展。1921年波尔豪森(E．Pohlhausen)在流动边界层概念的启发下又引进了热边界层的概念。1930年他与施密特(E．Schmidt)及贝克曼(W．Beckmann)合作，成功地求解了竖壁附近空气的自然对流换热。数学家与传热学家合作，发挥各自的长处，成为科学研究史上成功合作的范例。其二是湍流汁算模型的发展。1925年的普朗特比拟，1939年的卡门(Th．Von Karman)比拟以及1947年马丁纳利(R．C．Martinelli)的引伸记录着早期发展的轨迹。由于湍流问题在应用上的重要性，湍流计算模型的研究随着对湍流机理认识的不断深化而蓬勃发展，逐渐发展成为传热学研究中的一个令人瞩目的热点。它也有力地推动着理论求解向纵深发展。还应该提到，在对流换热理论的近代发展中，麦克亚当(W．H．McAdams)、贝尔特(L．M．K．Boelter)和埃克特(E．R．G．Eckert)先后作出了重要贡献。
       在热辐射的早期研究中，认识黑体辐射的重要意义并用人工黑体进行实验研究对于建立热辐射的理论具有重要作用。1889年卢默(O．Lummer)等人测得了黑体辐射光谱能量分布的实验数据。19世纪末斯蒂芬(J，Stefan)根据实验确立了黑体辐射力正比于它的绝对温度的四次方的规律，后来在理论上被玻耳兹曼(L．Boltzmann)所证实。这个规律被称为斯蒂芬—玻耳兹曼定律。热辐射基础理论研究中的最大挑战在于确定黑体辐射的光谱能量分布。1896年维恩通过半理论半经验的方法推导出一个公式。这个公式虽然在短波段与实验比较符合，但在长波段则与实验显著不符。几年后，瑞利(Lord Rayleigh)从理论上也推导出一个公式，此公式1905年又经过金斯(J．H．Jeans)改进，后人称它为瑞利—金斯公式。这个公式在长波段与实验结果比较符合而在短波段则与实验差距很大，而且随着频率的增高，辐射能量将增至无穷大，这显然是十分荒唐的。瑞利—金斯公式在高频部分即紫外部分遇到了无法克服的因难，简直是理论上的一场灾难，因此被称为“紫外灾难”。“紫外灾难”的出现使人们强烈地意识到，原先以为已经相当完美的经典物理学理论确实存在着问题。问题的解决有赖于观念上新的突破。普朗克(M．P1anck)决心找到一个与实验结果相符的新公式。经过艰苦努力，他终于在1900年提出了—个公式。其后的实验证实普朗克公式与实际情况在整个光谱段完全符合。在寻求这个公式的物理解释中，他大胆地提出了与经典物理学的连续性概念根本不同纳新假说，这就是能量子假说。能量子假说认为，物体在发出辐射和吸收辐射时，能量不是连续地变化的，而是跳跃地变化的，即能量是一份一份地发射和一份地吸收的，每一份能量都有—定的数值，这些能量单元称为“量子”。科学发展的道路往往是曲折的。普朗克公式因为缺乏理论依据而在当时不为人们所接受。普朗克本人对他的新假设认识上也有反复。只有在1905年爱因斯坦(A．Einstein)的光量子研究得到公认后，普朗克公式才为人们所接受。按照量子理论确立的普朗克定律正确地揭示了黑体辐射能量光谱分布的规律，奠定了热辐射理论的基础。在物体之间的辐射热量交换方面有两个重要的理论问题。其一是物体的发射率与吸收比之间的关系问题。1859和3860年基尔霍夫(G．Kirchhoff)的两篇论文提供了解答。虽然他在1860年论文中的证明是针对单色和偏振辐射的，然而它的重要意义正在于对全光谱辐射的推广。其二是物体间辐射换热的计算方法。由于物体之间的辐射换热是一个无穷反射逐次削弱的复杂物理过程，计算方法的研究有其特殊的重要意义。1935年波略克（ ）借鉴商务结算提出的净辐射法，1954年霍特尔(H．C．Hottel)提出、1967年又加以改进的交换因子法以及1956年奥本亥姆(A．K．OPPenheim)提出的模拟网络法，是三种受到重视的计算方法。他们分别为完善此类复杂问题的计算方法作出了贡献。
       除了上述按基本热量传递方式的发展以外，测量新技术、计算机、激光技术等新技术引入实验研究，对传热学的发展也发挥了重要作用。还要特别提到的是，由于计算机的迅速发展，用数值方法对传热问题的分析研究取得了重大进展，在20世纪70年代已经形成一个新兴分支一数值传热学。近年来，数值传热学得到了蓬勃的发展，显示出它的巨大活力。
       从以上发展简史可以看出，传热学已经发展成为一门理论体系初具和发展充满活力的基础学科。它在生产发展的推动下成长。同时，它的建立和发展反过来又促进生产的进步发展。当前，能源技术、环境技术、材料科学、微电子技术、空间技术等新兴科学技术的发展，向传热学提出了新的课题和新的挑战。可以相信，传热学在迎接时代新挑战的过程中，必将获得更大的发展，取得更加辉煌的成就。

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