3.2 基本傳熱方式

工程應用中傳熱方式主要有熱傳導（Conduction）、熱對流（Convection）、熱輻射（Radiation）。

1．熱傳導

當物體內部存在溫度差時，熱量從高溫部分傳遞到低溫部分；不同溫度的物體相接觸時，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體。這種熱量傳遞的方式稱為熱傳導。

熱傳導遵循傅里葉定律為：

式（3-4）中各個字母代表的含義如下。

q′′表示熱流密度；單位為W/m2；

K表示導熱系數，單位為W/（m℃）。

2．熱對流

對流是指溫度不同的各個部分流體之間發生相對運動所引起的熱量傳遞方式。高溫物體表面附近的空氣因受熱而膨脹，密度降低而向上流動，密度較大的冷空氣將下降替代原來的受熱空氣而引發對流現象。熱對流分為自然對流和強迫對流。

熱對流滿足牛頓冷卻方程為：

式（3-5）中各個字母代表的含義如下。

h表示對流換熱系數（也稱膜系數）；

Ts表示固體表面溫度；

Tb表示周圍流體溫度。

3．熱輻射

熱輻射是指物體發射電磁能，并被其他物體吸收轉變為熱的熱量交換過程。與熱傳導和熱對流不同，熱輻射不需要任何傳熱介質。

實際上，真空的熱輻射效率最高。同一物體，溫度不同時的熱輻射能力不同，溫度相同的不同物體的熱輻射能力也不一定一樣。同一溫度下，黑體的熱輻射能力最強。

在工程中通常考慮兩個或者多個物體之間的輻射，系統中每個物體同時輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可用斯蒂芬玻爾茲曼方程來計算，即：

式（3-6）中各個字母代表的含義如下。

q表示熱流率；

ε表示輻射率（黑度）；

σ 表示黑體輻射常數σ ≈5.67×10-2W/(m2·K4)；

A1表示輻射面1的面積；

F12表示輻射面1到輻射面2的形狀系數；

T1表示輻射面1的絕對溫度；

T2表示輻射面2的絕對溫度。

3.2.1 相變

工程上有許多由于相變而產生了熱傳遞，如物體凝聚、物體蒸發、沸騰和凝固或熔化等。通常依靠多相流模型或用戶自定義函數來描述相變傳熱。

3.2.2 熱載荷

在Mechanical中有以下4種形式的熱載荷。

（1）熱流量（Heat Flow）。熱流量可以施加到點、邊和表面上，當有多次選擇時，載荷會分布在這些選擇的對象上，其單位是：能量/時間。

（2）熱流率（Heat Flux）。熱流率只能施加到表面上，其單位是：能量/時間/面積。

（3）完全絕熱（Perfectly Insulated）。完全絕熱條件是施加到表面上，可以認為是加載零熱流率。

（4）內部生成熱（Internal Heat Generation）。內部熱生成只能施加到體上，其單位是：能量/時間/體積。

3.2.3 熱邊界條件

在Mechanical中有以下三種形式的邊界條件。

（1）溫度（Temperature）。給定溫度可以強加溫度到點、線或面上（熱分析中溫度是求解的自由度）。

（2）對流（Convection）。對流只能施加到表面上（二維分析時加到邊上）。實際上對流將“環境溫度”和“表面溫度”通過公式q=hA（Tsurface-Tambient）聯系起來。式子中熱通量q與膜系數h、表面積A、表面溫差Tsurface以及環境溫度Tambient均有關。h和Tambient是用戶輸入的值，對流傳熱膜系數h可以是常量或溫度的函數。

（3）輻射（Radiation）。輻射施加到表面（2D分析時加到邊上），滿足：

，式中σ 為斯蒂芬-玻爾茲曼常數、ε為熱輻射率（黑度）、A為輻射面積、F為輻射面的形狀系數（默認假定為1）。

另外還明確，給定的溫度或對流載荷不能施加到已經施加了某種熱載荷或熱邊界條件的表面上，如果施加到已經承受熱載荷的實體上，溫度邊界條件將忽略，而完全絕熱條件將忽略其他的熱邊界條件。