3.2 基本传热方式

工程应用中传热方式主要有热传导（Conduction）、热对流（Convection）、热辐射（Radiation）。

1．热传导

当物体内部存在温度差时，热量从高温部分传递到低温部分；不同温度的物体相接触时，热量从高温物体传递到低温物体。这种热量传递的方式称为热传导。

热传导遵循傅里叶定律为：

式（3-4）中各个字母代表的含义如下。

q′′表示热流密度；单位为W/m2；

K表示导热系数，单位为W/（m℃）。

2．热对流

对流是指温度不同的各个部分流体之间发生相对运动所引起的热量传递方式。高温物体表面附近的空气因受热而膨胀，密度降低而向上流动，密度较大的冷空气将下降替代原来的受热空气而引发对流现象。热对流分为自然对流和强迫对流。

热对流满足牛顿冷却方程为：

式（3-5）中各个字母代表的含义如下。

h表示对流换热系数（也称膜系数）；

Ts表示固体表面温度；

Tb表示周围流体温度。

3．热辐射

热辐射是指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。与热传导和热对流不同，热辐射不需要任何传热介质。

实际上，真空的热辐射效率最高。同一物体，温度不同时的热辐射能力不同，温度相同的不同物体的热辐射能力也不一定一样。同一温度下，黑体的热辐射能力最强。

在工程中通常考虑两个或者多个物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的净热量传递可用斯蒂芬玻尔兹曼方程来计算，即：

式（3-6）中各个字母代表的含义如下。

q表示热流率；

ε表示辐射率（黑度）；

σ 表示黑体辐射常数σ ≈5.67×10-2W/(m2·K4)；

A1表示辐射面1的面积；

F12表示辐射面1到辐射面2的形状系数；

T1表示辐射面1的绝对温度；

T2表示辐射面2的绝对温度。

3.2.1 相变

工程上有许多由于相变而产生了热传递，如物体凝聚、物体蒸发、沸腾和凝固或熔化等。通常依靠多相流模型或用户自定义函数来描述相变传热。

3.2.2 热载荷

在Mechanical中有以下4种形式的热载荷。

（1）热流量（Heat Flow）。热流量可以施加到点、边和表面上，当有多次选择时，载荷会分布在这些选择的对象上，其单位是：能量/时间。

（2）热流率（Heat Flux）。热流率只能施加到表面上，其单位是：能量/时间/面积。

（3）完全绝热（Perfectly Insulated）。完全绝热条件是施加到表面上，可以认为是加载零热流率。

（4）内部生成热（Internal Heat Generation）。内部热生成只能施加到体上，其单位是：能量/时间/体积。

3.2.3 热边界条件

在Mechanical中有以下三种形式的边界条件。

（1）温度（Temperature）。给定温度可以强加温度到点、线或面上（热分析中温度是求解的自由度）。

（2）对流（Convection）。对流只能施加到表面上（二维分析时加到边上）。实际上对流将“环境温度”和“表面温度”通过公式q=hA（Tsurface-Tambient）联系起来。式子中热通量q与膜系数h、表面积A、表面温差Tsurface以及环境温度Tambient均有关。h和Tambient是用户输入的值，对流传热膜系数h可以是常量或温度的函数。

（3）辐射（Radiation）。辐射施加到表面（2D分析时加到边上），满足：

，式中σ 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数、ε为热辐射率（黑度）、A为辐射面积、F为辐射面的形状系数（默认假定为1）。

另外还明确，给定的温度或对流载荷不能施加到已经施加了某种热载荷或热边界条件的表面上，如果施加到已经承受热载荷的实体上，温度边界条件将忽略，而完全绝热条件将忽略其他的热边界条件。