傳熱學(xué)本科生教材40年的變遷及其對(duì)我們的啟示

“傳熱學(xué)”本科生教材40年的變遷及其對(duì)我們的啟示

陶文銓，何雅玲，李增耀，唐桂華西安交通大學(xué)微型換熱器

2004-10-28上海目錄一、引言二、近40年內(nèi)世界科技領(lǐng)域的八大事件及其對(duì)傳熱學(xué)教材的影響三、近期歐美傳熱學(xué)教材編寫風(fēng)格以及教學(xué)輔助材料的演變四、40多年來本科生傳熱學(xué)教材內(nèi)容的進(jìn)一步嚴(yán)密與完善五、對(duì)未來數(shù)年內(nèi)本科傳熱學(xué)教學(xué)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]威爾蒂JR著，任澤霈羅棣庵等譯.工程傳熱學(xué).北京：人民教育出版社1982（原書出版于1978年）[9]蘇塞克J.傳熱學(xué).俞佐平等譯.北京：高等教育出版社，1980[10]ThomasLC.Fundamentalsofheattransfer.NewJersey:PrenticeHall,Inc.,1980,292[11]楊世銘主編.傳熱學(xué).北京:高等教育出版社，1980[12]LienhardJH.Aheattransfertextbook.NewJersey:PrenticeHall,Inc.,1981[13]伊薩琴科ВΠ等著.傳熱學(xué).王豐等譯.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]楊世銘編.傳熱學(xué)（第二版）.北京：高等教育出版社，1987[20]程尚模主編.傳熱學(xué).北京：高等教育出版社，1990[21]章熙民，任澤霈，梅飛鳴.傳熱學(xué)（新二版）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)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世紀(jì)初的教材[24]IncroperaFP,DeWittDP.Introductiontoheattransfer.3rdedition,NewYork:JohnWiley&Sons,1996[25]CengelYA.Heattransfer,Apracticalapproach..Boston:MCBMcGraw-Hill,1998[26]楊世銘，陶文銓編著.傳熱學(xué)（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]趙鎮(zhèn)南編著.傳熱學(xué).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年內(nèi)世界科技領(lǐng)域的八大事件及其對(duì)傳熱學(xué)教材的影響

圖1強(qiáng)化傳熱研究文獻(xiàn)年度統(tǒng)計(jì)34圖2管內(nèi)沸騰5672.4

計(jì)算機(jī)與信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為數(shù)值模擬以及教學(xué)資源的開拓提供了物質(zhì)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展對(duì)傳熱學(xué)教材的直接影響是使得傳熱問題的數(shù)值計(jì)算普遍被中近期教材采納為一個(gè)重要的內(nèi)容，代替了早期教材中的圖解法等。當(dāng)計(jì)算機(jī)求解方法剛引入時(shí)，普遍附以程序。教學(xué)實(shí)踐證明，關(guān)鍵是建立離散方程的方法以及代數(shù)方程的求解方法，至于程序本身因?yàn)榕c高級(jí)語言有關(guān)，沒有必要附入。Lienhard父子在2003年的教材中仍對(duì)數(shù)值計(jì)算只字未提，只能看成是一個(gè)特例。

圖4Schmidt的圖解法至于數(shù)值求解的內(nèi)容，則所有近期教材均限于導(dǎo)熱問題，這是由于對(duì)流換熱的數(shù)值模擬涉及到許多算法方面的問題，在本科生的傳熱學(xué)教材中不宜展開。作者在1991年就提出了在我國(guó)高等學(xué)校中進(jìn)行傳熱與流動(dòng)問題的數(shù)值模擬分層次教學(xué)的設(shè)想并編著出版了三個(gè)層次的教材。十余年來的實(shí)踐證明，這一構(gòu)思是切合我國(guó)的實(shí)際情況的。本科生碩士生博士生圖5航天器發(fā)射前與回收后圖6熱管冷卻衛(wèi)星殼體的效果圖7航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)圖8葉片冷卻示意圖2.5

全球日益嚴(yán)重的環(huán)境問題對(duì)傳熱學(xué)教學(xué)內(nèi)容的影響世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展給全球環(huán)境造成了嚴(yán)重的損害：南極臭氧層空洞日益擴(kuò)大，全球變暖、物種滅絕加速。氣溫每上升就使一個(gè)物種滅絕。北冰洋冰層厚度已經(jīng)比上世紀(jì)80年代的4.88米下降了2.13米。如此嚴(yán)重的環(huán)境問題是任何一本嚴(yán)肅、科學(xué)的傳熱學(xué)教材不能不予以關(guān)注的。在傳熱學(xué)教材中有以下幾種處理方式：（1）在闡述氣體輻射的選擇性講授溫室效應(yīng)以及CO2等氣體排放造成的影響；(2)在習(xí)題與例題中引入替代工質(zhì)的相變換熱計(jì)算;(3)列出專節(jié)予以重點(diǎn)敘述，例如Lienhard父子的教材。

圖9美國(guó)航天局給出的南極臭氧層空洞照片圖10嚴(yán)重的干旱造成物種滅絕圖11Lienhard父子傳熱學(xué)教材中的插圖

其次在開發(fā)新能源與替代能源中的傳熱問題應(yīng)當(dāng)引起我們的重視（燃料電池，太陽能…)。其中最可以引入教材的是太陽能利用中的傳熱問題。太陽能作為一種無污染、可再生的能源，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，尤其是太陽能集熱器。太陽能存在著能流密度低以及不能維持常量的缺點(diǎn)。要有效合理地利用太陽能以及其他能源（例如地?zé)幔?，傳熱學(xué)可以發(fā)揮重大的作用。從傳熱學(xué)教學(xué)的角度，太陽能集熱器是一個(gè)非常好的綜合例題，它既貼近學(xué)生的日常生活，又能帶出多個(gè)傳熱問題:

圖12PEMFC的電化學(xué)反應(yīng)示意圖8圖13太陽能集熱器

圖14在樓宇頂面的太陽能集熱器封閉腔輻射換熱選擇性涂層保溫層散熱肋壁溫度場(chǎng)分析有限空間自然對(duì)流圖15太陽能耐集熱器傳熱問題

隨著家用空調(diào)的普及空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能程度成為全世界空調(diào)廠商吸引顧客的一個(gè)重要指標(biāo)，使家用空調(diào)中的兩器—冷凝器與蒸發(fā)器傳熱強(qiáng)化的研究呈現(xiàn)常興不衰的勢(shì)頭：空氣側(cè)的翅片，由平片、波紋片、到開縫片；對(duì)于水－制冷劑的傳熱過程，已經(jīng)有單純考慮制冷劑側(cè)外部相變的強(qiáng)化發(fā)展到制冷劑側(cè)與水側(cè)同時(shí)強(qiáng)化，即雙側(cè)強(qiáng)化（double-enhanced），為我們提供了強(qiáng)化傳熱要抓主要矛盾的一個(gè)范例。

(a)平片(b)波紋片

(c)開縫片圖16空氣側(cè)強(qiáng)化換熱翅片的演進(jìn)

圖17沸騰換熱雙側(cè)強(qiáng)化管

(a)二維微肋管(b)三維微肋管圖18家用空調(diào)器中采用的微肋管（管子內(nèi)直徑～9mm）

圖19傳熱學(xué)研究問題跨越的空間尺度范圍

圖20傳熱學(xué)研究問題跨越的時(shí)間尺度范圍三．近期歐美傳熱學(xué)教材編寫風(fēng)格以及教學(xué)輔助材料的演變3.1教材編寫風(fēng)格、體例的演變美國(guó)工程教育曾有過爭(zhēng)辯，雙方各持一種理由：一方認(rèn)為美國(guó)的大學(xué)教學(xué)過于偏重理論及機(jī)理的教學(xué)而忽視了工程應(yīng)用，提出了所謂“回歸工程”的說法；而另一方則認(rèn)為對(duì)原理與基本概念的理解正是對(duì)各種設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)行正確運(yùn)行和發(fā)展新工藝所必須的。當(dāng)時(shí)Purdue大學(xué)的兩位教授，Incropera與DeWitt正在修訂他們的名作，他們?cè)谇把灾袑懙溃何覀儗?duì)兩種意見都同意：我們一方面要對(duì)學(xué)生加強(qiáng)工程訓(xùn)練，同時(shí)使學(xué)生對(duì)基本原理有較好地理解也是十分重要的。兩個(gè)方面不是互相排斥，而是相輔相成的。在這樣的思想的指導(dǎo)下，以他們編著的教材為代表，在內(nèi)容組織與編寫體例上與早期和中期的教材相比都發(fā)生了明顯的變化

：（1）論述由淺入深、由簡(jiǎn)到繁，系統(tǒng)性與科學(xué)性進(jìn)一步增強(qiáng)。為了做到這一點(diǎn)，除了作者們精心選擇例題作為講授基本原理載體以外，在寫作上一般每章開始闡述本章的教學(xué)目的，結(jié)尾進(jìn)行簡(jiǎn)要的總結(jié)（Summary），并且一般做到不是簡(jiǎn)單地重復(fù)本章中已經(jīng)介紹的內(nèi)容。（2）規(guī)范解決問題的思路與科學(xué)方法。由于解決實(shí)際復(fù)雜工程問題時(shí)一般都要經(jīng)歷進(jìn)行合理簡(jiǎn)化以建立起物理模型，根據(jù)基本守恒原理建立起數(shù)學(xué)模型，然后求解并所得到的解這樣的總體步驟。（3）注重學(xué)生應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。大致有以下一些方式來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)：1）從工程實(shí)際問題或日常生活中精選出一些題目作為例題或習(xí)題，例如上文提到的IBM公司的導(dǎo)熱模塊分析；2）在每章習(xí)題中增加“設(shè)計(jì)及論文題”，或者引入一些所謂沒有唯一解的題目（open-endedproblems）,

例如Holman的第9版就增加了大約100多道這樣的題目。（4）有大量的來自不同工程領(lǐng)域與日常生活的習(xí)題與例題。

這是近年來歐美教材的一種變化趨勢(shì)，例如[24]中有1127個(gè)習(xí)題，在[25]中有1707題，其中基本內(nèi)容部分為1275題，在[31]中有1415題。這些題目中除了少量是復(fù)習(xí)基本內(nèi)容以外，不少是從各種工程領(lǐng)域和日常生活中提煉出來的。（5）插圖豐富，具有趣味性與啟迪性。

這尤以[25,33]最為突出。為了說明污垢熱阻的影響，給出了下左圖所示的照片，用下右圖表示人體散熱的大致情況。

圖21過熱器管子上的積灰圖22夏天人體的散熱示意圖四．40多年來本科生傳熱學(xué)教材內(nèi)容的進(jìn)一步嚴(yán)密與完善在該項(xiàng)目的總結(jié)論文中，分析了表面尖峰處表面張力使液膜減薄的原因。

圖23肋表面上表面張力作用分析

按筆者的看法，“強(qiáng)化膜狀凝結(jié)就要減薄液膜厚度、尖峰可以有效地減薄液膜厚度；增加氣化核心可以強(qiáng)化沸騰換熱、表面凹坑有利于形成氣化核心”，應(yīng)當(dāng)成為本科生相變換熱教學(xué)中強(qiáng)化換熱的基本原則而予以強(qiáng)調(diào)。4.3

Heisler圖適用于Fo大于一定值后的全部Fo數(shù)范圍

在傳熱學(xué)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱正規(guī)狀況法（西方教材稱為單項(xiàng)逼近法，或充分發(fā)展階段）的適用條件上，教材[9]曾經(jīng)認(rèn)為Heisler圖除了Fourier數(shù)小于0.2時(shí)不能使用外，當(dāng)Fo趨近無限時(shí)也不能使用，理由是當(dāng)Fo趨近無限時(shí)，物體各點(diǎn)的溫度應(yīng)趨于一致，而Heisler的輔圖則表明，物體中各點(diǎn)溫度永遠(yuǎn)存在差異。這一觀點(diǎn)顯然不妥。當(dāng)時(shí)間趨于無限時(shí)，物體中各點(diǎn)的過余溫度均趨于無限小，但是無限小本身仍有數(shù)量級(jí)的差別，因此各點(diǎn)過余溫度的比值仍然保持為定值。4.1Gnielinski公式是精確度高、適用范圍寛的管槽內(nèi)湍流對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式管內(nèi)湍流對(duì)流換熱的計(jì)算關(guān)聯(lián)式可以說是本科生傳熱學(xué)中一個(gè)最基本的關(guān)聯(lián)式，使用最廣泛的大概是：我們推薦使用Gnielinscki公式：4.4

固體表面間的輻射換熱必須以封閉腔為計(jì)算區(qū)域

組成封閉腔的固體表面間的輻射換熱是本科傳熱學(xué)輻射部分的主要教學(xué)內(nèi)容。計(jì)算的重點(diǎn)是每個(gè)表面的凈輻射換熱量。在早期與部分中期的國(guó)內(nèi)外教材中，往往沒有強(qiáng)調(diào)由于輻射換熱的特殊性，計(jì)算固體表面的輻射換熱時(shí)，計(jì)算區(qū)域必須是包含感興趣表面在內(nèi)的封閉腔，而且常常將對(duì)于封閉腔推導(dǎo)得到的結(jié)果不適當(dāng)?shù)赝茝V到空間任意兩個(gè)不組成封閉腔的表面之間。文獻(xiàn)[67]專門對(duì)此進(jìn)行了討論。在近期的教材中這樣失誤已經(jīng)少見，并且特別強(qiáng)調(diào)了封閉腔計(jì)算區(qū)域的概念。

五.對(duì)未來數(shù)年內(nèi)本科傳熱學(xué)教學(xué)的思考

5.1高等學(xué)校不同層次傳熱學(xué)教學(xué)的主要內(nèi)容（目的與宗旨）大學(xué)傳熱學(xué)教學(xué)有三個(gè)層次：（1）本科傳熱學(xué)，講授傳熱學(xué)的基本概念，求解導(dǎo)熱、對(duì)流換熱過程溫度場(chǎng)的基本數(shù)學(xué)描寫，相似理論和以實(shí)驗(yàn)為主得出的研究結(jié)果,輻射換熱計(jì)算以及換熱器的熱設(shè)計(jì)方法；（2）研究生傳熱學(xué)（高等傳熱學(xué)），以介紹傳熱問題分析解以及基本理論為主（3）研究生的計(jì)算傳熱學(xué)（或數(shù)值傳熱學(xué)），介紹求解導(dǎo)熱物體的溫度場(chǎng)、流體流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的數(shù)值方法，以及輻射換熱的數(shù)值方法。簡(jiǎn)言之，本科傳熱學(xué)、研究生高等傳熱學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)分別以實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果、分析方法和結(jié)果以及數(shù)值計(jì)算方法和結(jié)果作為各自的主要教學(xué)內(nèi)容。5.2近5年內(nèi)本科傳熱學(xué)教學(xué)可以考慮的新內(nèi)容

（1）用Campo方法替代Heisler－Grober圖

Heisler－Grober圖線的缺點(diǎn)：1）當(dāng)計(jì)算工況的參數(shù)不與圖中給出參數(shù)一致時(shí)，插值引起的誤差較大；2）對(duì)于應(yīng)用乘積解法確定為實(shí)現(xiàn)某個(gè)過程所需的時(shí)間時(shí)，要采用迭代解法；3）無法納入到計(jì)算程序中去。1997年由美國(guó)Idaho大學(xué)Campo教授提出的近似解析表達(dá)式基本上克服了上述缺點(diǎn)，尤其是對(duì)于采用乘積解法確定所需時(shí)間時(shí)，不需要迭代。其計(jì)算精度基本與采用Heisler－Grober圖相當(dāng)，值得推廣。

（2）采用自然對(duì)流流態(tài)轉(zhuǎn)變的新判據(jù)大空間自然對(duì)流流態(tài)的判別歷來采用Rayleigh數(shù)為依據(jù)。1994年楊世銘教授通過物理機(jī)制以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的細(xì)致分析，提出應(yīng)該以Grashof數(shù)為判據(jù)的觀點(diǎn)，幾年來得到越來越多的支持。近期教材中，Cengel與Hagen均明確指出：自然對(duì)流的Grashof數(shù)與強(qiáng)制對(duì)流的Reynolds相當(dāng)，因此流態(tài)判別應(yīng)該是Grashof數(shù)。筆者認(rèn)為，這正如液態(tài)金屬的管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱的關(guān)聯(lián)式一般都表示成的形式，但是作為流態(tài)判別仍然是Reynolds數(shù)而不是Peclet數(shù)一樣，流體自然對(duì)流層流與湍流的判別依據(jù)是Grashof數(shù)，并且應(yīng)當(dāng)引入我們的教材。

將邊界層型的對(duì)流換熱能量方程對(duì)熱邊界層厚度作積分，

其中：

是固體表面上流體與固體之間所交換的熱流密度，即對(duì)流換熱量。

根據(jù)矢量的運(yùn)算規(guī)則，有

可見在一定的速度及溫度梯度下，減小兩者間的夾角是強(qiáng)化傳熱的有效措施。這基本思想以后發(fā)展成為“場(chǎng)協(xié)同原理”(fieldsynergyprinciple)，夾角稱為協(xié)同角。

本課題組在近5年內(nèi)在場(chǎng)協(xié)同原理的論證、推廣和應(yīng)用方面作出的工作有：1）論證了場(chǎng)協(xié)同原理對(duì)于橢圓型流動(dòng)的換熱也是正確的；2）用數(shù)值計(jì)算揭示了場(chǎng)協(xié)同原理可以將文獻(xiàn)中現(xiàn)有的強(qiáng)化機(jī)理統(tǒng)一起來：3）用數(shù)值計(jì)算證明了場(chǎng)協(xié)同原理對(duì)于湍流也是成立的；4）證明了場(chǎng)協(xié)同原理對(duì)于非穩(wěn)態(tài)過程也是成立的；5）將場(chǎng)協(xié)同原理推廣到一般的遷移與能量轉(zhuǎn)換過程，指出只要過程的結(jié)果量是以兩個(gè)矢量的點(diǎn)積來表示的，則場(chǎng)協(xié)同原理均適用；6）應(yīng)用場(chǎng)協(xié)同原理提出了翅片開縫要前疏后密的原則，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定證實(shí)了這一思想。論文已先后在6種國(guó)際雜志發(fā)表或被接受。5.3我們?nèi)绾蚊鎸?duì)急速膨脹的知識(shí)體系

最近40年內(nèi)，應(yīng)當(dāng)在本科生傳熱學(xué)教學(xué)中有所反應(yīng)的知識(shí)體系急劇膨脹，而教學(xué)的學(xué)時(shí)則受到嚴(yán)格限制，如何處理這對(duì)矛盾是當(dāng)前我們面臨的重要問題。根據(jù)筆者的初步探索，可以從以下幾方面入手：

（1）

及時(shí)刪節(jié)一些陳舊的或不能適應(yīng)新形勢(shì)的內(nèi)容

例如計(jì)算一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的Heisler-Grober圖線用Campo的簡(jiǎn)化分析式代替。（2）例題與習(xí)題是拓寬應(yīng)用領(lǐng)域、引入結(jié)合工程實(shí)際問題的入口

作為拓寬知識(shí)面的某些內(nèi)容未必都要在正文中或課堂上講授，而是可以通過例題與習(xí)題來完成，這是不少近期教材采用的方法。（3）適當(dāng)使用多媒體是擴(kuò)大信息量的有效手段

每章的總結(jié)可采用多媒體教學(xué)，除了簡(jiǎn)要總結(jié)本章內(nèi)容外，還可以引入不少結(jié)合工程實(shí)際的例子、照片，是拓寬學(xué)生視野，增強(qiáng)學(xué)生的工程觀點(diǎn)，擴(kuò)大信息量的有效方法。

（4）開設(shè)專題講座是引進(jìn)新知識(shí)的好方法

1984年在美國(guó)ASME的全國(guó)傳熱學(xué)會(huì)議上，Eckert，Incropera和Lienhard三位教授被邀在主題為“傳熱學(xué)教學(xué)”的討論會(huì)上發(fā)言。Eckert教授在談到“Futuretrends”時(shí)第一句話就是：“教材的缺點(diǎn)是一旦印出，內(nèi)容就凍結(jié)來了，而講座則永遠(yuǎn)是活的而且年年變化”。部分新的內(nèi)容可以通過講座向?qū)W生傳授，這既符合個(gè)性培養(yǎng)的要求，又與因材施教一致。筆者曾經(jīng)在西安交通大學(xué)為學(xué)生開設(shè)了題為“熱流科學(xué)漫談”的系列講座，內(nèi)容包括：（5）改革教學(xué)