热仿真中传热方式及应用
一、 热传导
定义： 热量在物质内部或直接接触的不同物质之间，通过微观粒子（分子、原子、自由电子）的振动、碰撞或移动而进行的传递。物质本身没有宏观位移。
原理： 依赖于物质的导热性能（热导率）。热导率高的物质（如金属）导热快，是良导体；热导率低的物质（如空气、泡沫塑料、木材、羊毛）导热慢，是绝热体或不良导体。
关键定律： 傅里叶定律 - 热传导速率与温度梯度（单位距离的温度变化）和垂直于热流方向的截面积成正比。
公式表示：
q = -k * A * (dT/dx)q: 热流量k: 材料的热导率A: 垂直于热流方向的截面积dT/dx: 沿热流方向（x方向）的温度梯度（负号表示热量从高温流向低温）应用：
烹饪： 锅底受热，热量通过金属锅体传导给食物。
散热器/散热片： 电子设备（CPU、显卡）产生的热量通过金属（铝、铜）导热体传导到散热片表面，再由对流散出。
保温/隔热： 利用低热导率材料（如聚苯乙烯泡沫、玻璃棉、石棉、羽绒、气凝胶）减少热传导损失。建筑墙体、冰箱保温层、热水瓶胆夹层（抽真空减少气体导热）、保温杯、保暖衣物。
热交换器（部分）： 热量通过管壁在冷热流体之间传导。
地热： 地球内部热量通过岩石传导到地表。
二、 热对流
定义： 热量通过流体的宏观运动（流动）而传递。是热传导和流体运动的联合作用结果。
分类：
自然对流： 流体因温度不同导致密度差（热胀冷缩）而产生的流动（如热水上升、冷水下沉）。驱动源是浮力。
强制对流： 流体在外力（泵、风机、风扇、搅拌）驱动下的流动。
关键定律： 牛顿冷却定律 - 对流换热速率与固体壁面和流体之间的温差以及接触面积成正比。
公式表示：
q = h * A * (T_s - T_f)q: 热流量h: 对流传热系数（取决于流体性质、流动状态、表面几何等）A: 换热面积T_s: 固体表面温度T_f: 远离表面的流体主流温度应用：
空调与暖气： 风扇强制空气流过冷/热盘管（强制对流），空气被冷却/加热后送入房间，在房间内形成自然对流或混合对流进行温度调节。
汽车发动机冷却： 水泵强制冷却液（水/防冻液）在发动机水套和散热器之间循环（强制对流），带走发动机热量；散热器风扇强制空气流过散热器翅片（强制对流）带走冷却液热量。
风力发电： 空气自然对流或强制对流（风）推动涡轮叶片。
人体散热： 血液流动（强制对流）将体内热量带到皮肤表面；皮肤附近的空气受热上升（自然对流）带走热量；出汗蒸发也依赖于空气对流。
海洋环流/大气环流： 大规模的自然对流是地球热量重新分配的主要机制。
开水： 壶底加热水，底部热水上升，顶部冷水下沉，形成自然对流循环。
搅拌： 通过搅拌强制流体混合，加速热对流（如搅拌锅里的汤）。
三、 热辐射
定义： 物体以电磁波（主要是红外波段）的形式发射和吸收能量的过程。不需要任何介质，可以在真空中传播（如太阳光到达地球）。
原理：
任何温度高于绝对零度（-273.15°C）的物体都会持续地发射热辐射。
辐射能力取决于物体的表面性质（发射率）和温度（绝对温度）。
物体既能发射辐射，也能吸收来自周围环境的辐射。净热流量取决于物体表面与环境的温度差、发射率和吸收率（理想黑体吸收率=发射率=1）。
关键定律：
公式表示：
E_b = σ * T⁴E_b: 黑体辐射力σ: 斯特藩-玻尔兹曼常数T: 黑体表面绝对温度斯特藩-玻尔兹曼定律： 黑体单位表面积向外辐射的总功率与其表面绝对温度的四次方成正比。
普朗克定律： 描述黑体辐射能量按波长的分布。
基尔霍夫定律： 在热平衡条件下，物体的发射率等于其吸收率（对同温度同波长的辐射而言）。
应用：
太阳能利用： 太阳通过热辐射将能量传递到地球，太阳能热水器、太阳能电池板、太阳灶利用此原理。
红外加热/烘烤： 烤箱、红外加热灯、工业烘烤设备利用红外辐射直接加热物体表面。
红外测温： 红外热像仪、额温枪通过探测物体表面发出的热辐射来测量其温度。
地球热量平衡： 地球吸收太阳辐射（短波），同时自身也向太空发射红外辐射（长波）。
篝火取暖： 靠近篝火时，主要感受到的是热辐射带来的温暖。
卫星热控： 航天器通过特殊涂层（高发射率、低吸收率或反之）利用辐射散热或保温。
保温瓶（镀银层）： 瓶胆内壁镀银，反射热辐射，减少辐射热损失。
四、 复合传热
定义： 在绝大多数实际情况下，热传导、热对流和热辐射三种方式往往同时发生，共同作用。
重要性： 进行热分析或设计热系统时，必须考虑所有可能存在的传热方式及其相对重要性。
例子：
建筑物墙体散热： 室内热空气通过对流将热量传给内墙 -> 热量通过墙体材料（砖、混凝土、保温层）传导 -> 外墙通过对流（风）和辐射（向天空和周围物体）将热量散到室外环境。
散热器： 内部高温流体（水/油）通过对流将热量传给金属内壁 -> 热量通过金属壁传导 -> 金属外壁通过对流（空气自然或强制对流）和辐射将热量散到房间。
人坐在篝火旁： 身体正面直接接受篝火的辐射热 -> 身体周围空气被加热产生自然对流 -> 身体接触地面或椅子通过热传导散热。
理解这三种基本传热方式及其应用，是分析和解决各种工程热问题（如热管理、节能、采暖通风、制冷空调、材料加工、电子设备冷却等）的基础。设计时，常常需要强化或削弱某种特定的传热方式以达到目标（如加强散热或加强保温）。
