传热学本科生教材40年的变迁及其对我们的启示

“传热学”本科生教材40年的变迁及其对我们的启示

陶文铨，何雅玲，李增耀，唐桂华西安交通大学微型换热器

2004-10-28上海目录一、引言二、近40年内世界科技领域的八大事件及其对传热学教材的影响三、近期欧美传热学教材编写风格以及教学辅助材料的演变四、40多年来本科生传热学教材内容的进一步严密与完善五、对未来数年内本科传热学教学的思考1一、

引言2中期教材：介于1965－1995的教材[7]HolmanJP.Heattransfer(4thedition).NewYork:McGraw-HillBookCompany,1976[8]威尔蒂JR著，任泽霈罗棣庵等译.工程传热学.北京：人民教育出版社1982（原书出版于1978年）[9]苏塞克J.传热学.俞佐平等译.北京：高等教育出版社，1980[10]ThomasLC.Fundamentalsofheattransfer.NewJersey:PrenticeHall,Inc.,1980,292[11]杨世铭主编.传热学.北京:高等教育出版社，1980[12]LienhardJH.Aheattransfertextbook.NewJersey:PrenticeHall,Inc.,1981[13]伊萨琴科ВΠ等著.传热学.王丰等译.北京：高等教育出版社，1987（原版教材出版于1981）[14]ToddJP,EllisHB.Appliedheattransfer.NewYork:Harper&Row,Publishers,1982.330-331[15]ChapmanAJ.Heattransfer.4thedition.NewYork:MacmillianPublishingCompany,1984[16]WhiteFM.Heattransfer.Reading:Addison-WesleyPublishingCompany,1984[17]IncroperaFP,DeWittDP.Introductiontoheattransfer.NewYork:JohnWiley&Sons,1985[18]KreithF,BohnMS.Principlesofheattransfer.4thedition.NewYork:Harper&Row,Publishers,1986[19]杨世铭编.传热学（第二版）.北京：高等教育出版社，1987[20]程尚模主编.传热学.北京：高等教育出版社，1990[21]章熙民，任泽霈，梅飞鳴.传热学（新二版）.北京：中国建筑工业出版社，1993[22]BejanA.Heattransfer.NewYork:JohnWiley&Sons,Inc.,1993.6-7[23]MillAF.Heatandmasstransfer.Chicago：IRWIN,1995近期教材—90年代末21世纪初的教材[24]IncroperaFP,DeWittDP.Introductiontoheattransfer.3rdedition,NewYork:JohnWiley&Sons,1996[25]CengelYA.Heattransfer,Apracticalapproach..Boston:MCBMcGraw-Hill,1998[26]杨世铭，陶文铨编著.传热学（第三版）.北京：高等教育出版社，1998[27]BaehrHD,StephanK.Heatandmasstransfer.Berlin:Spring,1998[28]HagenKD.Heattransferwithapplications.NewJersey:PrenticeHall,1999[29]RolleKC.Heatandmasstransfer.NewJersey:PrenticeHall,2000[30]HolmanJP.Heattransfer(ninthedition).Boston:McGraw-Hill,2002[31]IncroperaFP,DeWittDP.Fundamentalsofheatandmasstransfer(5th

edition).NewYork:JohnWiley&Sons.2002[32]赵镇南编著.传热学.北京：高等教育出版社，2003[33]CengelYA.Heattransfer,Apracticalapproach.(2ndedition).Boston:MCBMcGraw-Hill,2003[34]LienhardJH,Ⅳ,LienhardJH,Ⅴ.Aheattransfertextbook,3rdedition,Cambridge:PhlogistonPress,2003二.近40年内世界科技领域的八大事件及其对传热学教材的影响

图1强化传热研究文献年度统计34图2管内沸腾5672.4

计算机与信息产业的发展为数值模拟以及教学资源的开拓提供了物质基础计算机工业的发展对传热学教材的直接影响是使得传热问题的数值计算普遍被中近期教材采纳为一个重要的内容，代替了早期教材中的图解法等。当计算机求解方法刚引入时，普遍附以程序。教学实践证明，关键是建立离散方程的方法以及代数方程的求解方法，至于程序本身因为与高级语言有关，没有必要附入。Lienhard父子在2003年的教材中仍对数值计算只字未提，只能看成是一个特例。

图4Schmidt的图解法至于数值求解的内容，则所有近期教材均限于导热问题，这是由于对流换热的数值模拟涉及到许多算法方面的问题，在本科生的传热学教材中不宜展开。作者在1991年就提出了在我国高等学校中进行传热与流动问题的数值模拟分层次教学的设想并编著出版了三个层次的教材。十余年来的实践证明，这一构思是切合我国的实际情况的。本科生硕士生博士生图5航天器发射前与回收后图6热管冷却卫星壳体的效果图7航空发动机冷却系统图8叶片冷却示意图2.5

全球日益严重的环境问题对传热学教学内容的影响世界经济的迅速发展给全球环境造成了严重的损害：南极臭氧层空洞日益扩大，全球变暖、物种灭绝加速。气温每上升就使一个物种灭绝。北冰洋冰层厚度已经比上世纪80年代的4.88米下降了2.13米。如此严重的环境问题是任何一本严肃、科学的传热学教材不能不予以关注的。在传热学教材中有以下几种处理方式：（1）在阐述气体辐射的选择性讲授温室效应以及CO2等气体排放造成的影响；(2)在习题与例题中引入替代工质的相变换热计算;(3)列出专节予以重点叙述，例如Lienhard父子的教材。

图9美国航天局给出的南极臭氧层空洞照片图10严重的干旱造成物种灭绝图11Lienhard父子传热学教材中的插图

其次在开发新能源与替代能源中的传热问题应当引起我们的重视（燃料电池，太阳能…)。其中最可以引入教材的是太阳能利用中的传热问题。太阳能作为一种无污染、可再生的能源，已经在世界范围内得到广泛的应用，尤其是太阳能集热器。太阳能存在着能流密度低以及不能维持常量的缺点。要有效合理地利用太阳能以及其他能源（例如地热），传热学可以发挥重大的作用。从传热学教学的角度，太阳能集热器是一个非常好的综合例题，它既贴近学生的日常生活，又能带出多个传热问题:

图12PEMFC的电化学反应示意图8图13太阳能集热器

图14在楼宇顶面的太阳能集热器封闭腔辐射换热选择性涂层保温层散热肋壁温度场分析有限空间自然对流图15太阳能耐集热器传热问题

随着家用空调的普及空调系统节能程度成为全世界空调厂商吸引顾客的一个重要指标，使家用空调中的两器—冷凝器与蒸发器传热强化的研究呈现常兴不衰的势头：空气侧的翅片，由平片、波纹片、到开缝片；对于水－制冷剂的传热过程，已经有单纯考虑制冷剂侧外部相变的强化发展到制冷剂侧与水侧同时强化，即双侧强化（double-enhanced），为我们提供了强化传热要抓主要矛盾的一个范例。

(a)平片(b)波纹片

(c)开缝片图16空气侧强化换热翅片的演进

图17沸腾换热双侧强化管

(a)二维微肋管(b)三维微肋管图18家用空调器中采用的微肋管（管子内直径～9mm）

图19传热学研究问题跨越的空间尺度范围

图20传热学研究问题跨越的时间尺度范围三．近期欧美传热学教材编写风格以及教学辅助材料的演变3.1教材编写风格、体例的演变美国工程教育曾有过争辩，双方各持一种理由：一方认为美国的大学教学过于偏重理论及机理的教学而忽视了工程应用，提出了所谓“回归工程”的说法；而另一方则认为对原理与基本概念的理解正是对各种设备、系统进行正确运行和发展新工艺所必须的。当时Purdue大学的两位教授，Incropera与DeWitt正在修订他们的名作，他们在前言中写道：我们对两种意见都同意：我们一方面要对学生加强工程训练，同时使学生对基本原理有较好地理解也是十分重要的。两个方面不是互相排斥，而是相辅相成的。在这样的思想的指导下，以他们编著的教材为代表，在内容组织与编写体例上与早期和中期的教材相比都发生了明显的变化

：（1）论述由浅入深、由简到繁，系统性与科学性进一步增强。为了做到这一点，除了作者们精心选择例题作为讲授基本原理载体以外，在写作上一般每章开始阐述本章的教学目的，结尾进行简要的总结（Summary），并且一般做到不是简单地重复本章中已经介绍的内容。（2）规范解决问题的思路与科学方法。由于解决实际复杂工程问题时一般都要经历进行合理简化以建立起物理模型，根据基本守恒原理建立起数学模型，然后求解并所得到的解这样的总体步骤。（3）注重学生应用能力与创新能力的培养。大致有以下一些方式来实现这一目标：1）从工程实际问题或日常生活中精选出一些题目作为例题或习题，例如上文提到的IBM公司的导热模块分析；2）在每章习题中增加“设计及论文题”，或者引入一些所谓没有唯一解的题目（open-endedproblems）,

例如Holman的第9版就增加了大约100多道这样的题目。（4）有大量的来自不同工程领域与日常生活的习题与例题。

这是近年来欧美教材的一种变化趋势，例如[24]中有1127个习题，在[25]中有1707题，其中基本内容部分为1275题，在[31]中有1415题。这些题目中除了少量是复习基本内容以外，不少是从各种工程领域和日常生活中提炼出来的。（5）插图丰富，具有趣味性与启迪性。

这尤以[25,33]最为突出。为了说明污垢热阻的影响，给出了下左图所示的照片，用下右图表示人体散热的大致情况。

图21过热器管子上的积灰图22夏天人体的散热示意图四．40多年来本科生传热学教材内容的进一步严密与完善在该项目的总结论文中，分析了表面尖峰处表面张力使液膜减薄的原因。

图23肋表面上表面张力作用分析

按笔者的看法，“强化膜状凝结就要减薄液膜厚度、尖峰可以有效地减薄液膜厚度；增加气化核心可以强化沸腾换热、表面凹坑有利于形成气化核心”，应当成为本科生相变换热教学中强化换热的基本原则而予以强调。4.3

Heisler图适用于Fo大于一定值后的全部Fo数范围

在传热学非稳态导热正规状况法（西方教材称为单项逼近法，或充分发展阶段）的适用条件上，教材[9]曾经认为Heisler图除了Fourier数小于0.2时不能使用外，当Fo趋近无限时也不能使用，理由是当Fo趋近无限时，物体各点的温度应趋于一致，而Heisler的辅图则表明，物体中各点温度永远存在差异。这一观点显然不妥。当时间趋于无限时，物体中各点的过余温度均趋于无限小，但是无限小本身仍有数量级的差别，因此各点过余温度的比值仍然保持为定值。4.1Gnielinski公式是精确度高、适用范围寛的管槽内湍流对流换热关联式管内湍流对流换热的计算关联式可以说是本科生传热学中一个最基本的关联式，使用最广泛的大概是：我们推荐使用Gnielinscki公式：4.4

固体表面间的辐射换热必须以封闭腔为计算区域

组成封闭腔的固体表面间的辐射换热是本科传热学辐射部分的主要教学内容。计算的重点是每个表面的净辐射换热量。在早期与部分中期的国内外教材中，往往没有强调由于辐射换热的特殊性，计算固体表面的辐射换热时，计算区域必须是包含感兴趣表面在内的封闭腔，而且常常将对于封闭腔推导得到的结果不适当地推广到空间任意两个不组成封闭腔的表面之间。文献[67]专门对此进行了讨论。在近期的教材中这样失误已经少见，并且特别强调了封闭腔计算区域的概念。

五.对未来数年内本科传热学教学的思考

5.1高等学校不同层次传热学教学的主要内容（目的与宗旨）大学传热学教学有三个层次：（1）本科传热学，讲授传热学的基本概念，求解导热、对流换热过程温度场的基本数学描写，相似理论和以实验为主得出的研究结果,辐射换热计算以及换热器的热设计方法；（2）研究生传热学（高等传热学），以介绍传热问题分析解以及基本理论为主（3）研究生的计算传热学（或数值传热学），介绍求解导热物体的温度场、流体流场与温度场的数值方法，以及辐射换热的数值方法。简言之，本科传热学、研究生高等传热学和数值传热学分别以实验方法和结果、分析方法和结果以及数值计算方法和结果作为各自的主要教学内容。5.2近5年内本科传热学教学可以考虑的新内容

（1）用Campo方法替代Heisler－Grober图

Heisler－Grober图线的缺点：1）当计算工况的参数不与图中给出参数一致时，插值引起的误差较大；2）对于应用乘积解法确定为实现某个过程所需的时间时，要采用迭代解法；3）无法纳入到计算程序中去。1997年由美国Idaho大学Campo教授提出的近似解析表达式基本上克服了上述缺点，尤其是对于采用乘积解法确定所需时间时，不需要迭代。其计算精度基本与采用Heisler－Grober图相当，值得推广。

（2）采用自然对流流态转变的新判据大空间自然对流流态的判别历来采用Rayleigh数为依据。1994年杨世铭教授通过物理机制以及实验数据的细致分析，提出应该以Grashof数为判据的观点，几年来得到越来越多的支持。近期教材中，Cengel与Hagen均明确指出：自然对流的Grashof数与强制对流的Reynolds相当，因此流态判别应该是Grashof数。笔者认为，这正如液态金属的管内强制对流换热的关联式一般都表示成的形式，但是作为流态判别仍然是Reynolds数而不是Peclet数一样，流体自然对流层流与湍流的判别依据是Grashof数，并且应当引入我们的教材。

将边界层型的对流换热能量方程对热边界层厚度作积分，

其中：

是固体表面上流体与固体之间所交换的热流密度，即对流换热量。

根据矢量的运算规则，有

可见在一定的速度及温度梯度下，减小两者间的夹角是强化传热的有效措施。这基本思想以后发展成为“场协同原理”(fieldsynergyprinciple)，夹角称为协同角。

本课题组在近5年内在场协同原理的论证、推广和应用方面作出的工作有：1）论证了场协同原理对于椭圆型流动的换热也是正确的；2）用数值计算揭示了场协同原理可以将文献中现有的强化机理统一起来：3）用数值计算证明了场协同原理对于湍流也是成立的；4）证明了场协同原理对于非稳态过程也是成立的；5）将场协同原理推广到一般的迁移与能量转换过程，指出只要过程的结果量是以两个矢量的点积来表示的，则场协同原理均适用；6）应用场协同原理提出了翅片开缝要前疏后密的原则，并经实验测定证实了这一思想。论文已先后在6种国际杂志发表或被接受。5.3我们如何面对急速膨胀的知识体系

最近40年内，应当在本科生传热学教学中有所反应的知识体系急剧膨胀，而教学的学时则受到严格限制，如何处理这对矛盾是当前我们面临的重要问题。根据笔者的初步探索，可以从以下几方面入手：

（1）

及时删节一些陈旧的或不能适应新形势的内容

例如计算一维非稳态导热的Heisler-Grober图线用Campo的简化分析式代替。（2）例题与习题是拓宽应用领域、引入结合工程实际问题的入口

作为拓宽知识面的某些内容未必都要在正文中或课堂上讲授，而是可以通过例题与习题来完成，这是不少近期教材采用的方法。（3）适当使用多媒体是扩大信息量的有效手段

每章的总结可采用多媒体教学，除了简要总结本章内容外，还可以引入不少结合工程实际的例子、照片，是拓宽学生视野，增强学生的工程观点，扩大信息量的有效方法。

（4）开设专题讲座是引进新知识的好方法

1984年在美国ASME的全国传热学会议上，Eckert，Incropera和Lienhard三位教授被邀在主题为“传热学教学”的讨论会上发言。Eckert教授在谈到“Futuretrends”时第一句话就是：“教材的缺点是一旦印出，内容就冻结来了，而讲座则永远是活的而且年年变化”。部分新的内容可以通过讲座向学生传授，这既符合个性培养的要求，又与因材施教一致。笔者曾经在西安交通大学为学生开设了题为“热流科学漫谈”的系列讲座，内容包括：（5）改革教学