第二章 温度、热量与能量（二）---热量

2.2 热量Heat2.2.1 定义热量Heat是由于温度差而发生传递的能量。这里有两个关键词能量传递因此热量描述的是能量从一个系统流向另一个系统的过程而不是某个物体本身所拥有的一种属性。2.2.2 为什么说物体里面有很多热量是不准确的例如有人会说这杯热水里面有很多热量。实际上更准确的说法应该是这杯热水具有较高的内能或焓能够向外界释放热量。真正储存在物体内部的是内能Internal Energy焓Enthalpy而热量只是这些能量发生转移时的名称。2.2.3 热量为什么一定伴随着温度差根据热力学第二定律热量总是自发地从高温物体传向低温物体。例如100 ℃ 热水 │ │ Heat ▼ 20 ℃ 空气热量不断传递。最终60 ℃ 水 60 ℃ 空气达到热平衡。如果两者温度本来就是50 ℃ 和 50 ℃那么即使它们接触也不会发生净热量传递。因此温度差是热量传递的驱动力。2.2.4 热量有哪些传递方式工程中热量主要有三种传递方式。1导热Conduction热量通过物体内部或接触面传递而物质本身几乎不发生宏观移动。例如金属勺放入热汤后勺柄变热芯片中的热量传到散热器。2对流Convection热量随着流体流动而传递。例如风扇吹走电脑散热器上的热量水泵带走电机产生的热量冷却液循环降低发动机温度。3辐射Radiation热量以电磁波的形式传播不需要介质。例如太阳向地球传递能量高温炉壁向周围辐射热量。2.2.5 热量如何计算对于没有相变的情况最常见公式为其中Q热量Jm质量kg定压比热J/(kg·K)温度变化K注意这个公式只适用于没有发生相变的过程。如果发生沸腾、冷凝等相变还需要额外考虑潜热这将在后续章节介绍。2.2.6 CFD 中热量体现在哪里Fluent并非直接求解温度而是关注热量如何在计算域内传递。例如一块被加热的金属热源 │ ▼ 固体导热 │ ▼ 流体对流 │ ▼ 出口带走热量Fluent 需要计算每秒进入多少热量每秒流走多少热量每个单元储存多少能量是否满足能量守恒。因此能量方程本质上就是计算热量在整个计算域中的收支平衡。2.2.7 Fluent视角在 Fluent 中与热量有关的边界条件有Heat Flux热流密度规定单位面积传递多少热量。Wall Temperature壁面温度规定壁面保持某一温度由软件计算热量大小。Heat Generation体积热源规定单位体积内部产生多少热量例如电机绕组、电池发热。Convective Heat Transfer对流换热规定壁面与流体之间对流换热能力和环境温度由软件计算壁面热流密度和壁面温度随着内部换热情况自动收敛到一个平衡值。四种边界条件的区别边界条件已知量求解Heat Flux热流密度 q壁面温度 T_wallWall Temperature壁面温度 T_wall热流密度 qHeat Generation体积热源 q_v温度场分布Convective Heat Transfer换热系数h、环境温度T∞热流密度 q 和壁面温度 T_wall选择哪一种边界条件取决于工程中已知的是温度还是热量。2.2.8 本节小结热量是由于温度差而发生传递的能量本质上描述的是一个过程而不是一种物体属性。物体内部储存的是内能或焓而不是热量。热量传递有三种基本方式导热、对流和辐射。CFD 中求解能量方程的目的是计算热量在整个计算域中的传递与守恒。Fluent 中的热边界条件Heat Flux、Heat Generation、Wall Temperature 等本质上都是对热量传递方式或边界条件的描述。