时间：2023-03-21 17:03:52
导语：在传热学论文的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
根据传热学课程知识点多，内容抽象，应用性强的特点，本文从四方面对传热学内容进行讲解，对每一块内容的重要知识点进行了归纳总结及讨论了学习时的方法。
【关键词】
热传导；对流换热；辐射换热；换热器
0引言
传热学是安全工程专业的一门必修课程，讲述的是与热量传递相关的自然现象及研究热量传递规律的一门学科，对于与热相关的自然现象有很多，例如我们知道人的身体为恒温体，在夏天和冬天，人们在相同室温（比如25摄氏度）的房间里穿着衣服能一样吗?热天人们为什么喜欢在游泳馆里的水里而不喜欢在相同温度的空气里?这都是在日常生活中常见的现象，对于这些现象的解释就需要学习传热学的知识，需要知道热量传递的规律。并且随着经济的发展，与热量传递相关的企业、公司越来越多，与热量传递相关技术的发展也越来越快，基本上可以分为三种类型的技术[1]，即强化传热技术，削弱传热技术，温度控制技术，上面的三种类型的技术代表着传热技术的三个方向，在相应的领域有着重要的应用，比如强化传热技术，现在的家用空调或者车载空调体积越来越小，所需的能量消耗也越来越低，同时制冷效果也明显提高，这要得益于强化传热技术的发展与应用。传热学是和生活息息相关的一门学科，对于传热学课程的学习无论是对自然界热现象的认识还是热量传递技术的学习都是有必要的。
1内容讲解和学习方法
对于传热学课程的研究有很多的文献，分别从传热学的教学方法[2]，课程教学改革[3]，实践教学体系的构建[4]等方面进行了研究，本论文从以下二个方面探讨传热学课程，分别是课程内容的讲解和学习方法。根据传热的三种方式及传热技术的应用可以把传热学内容分为四大块内容，每一块内容又可以分类，下面分四方面对传热学的内容进行讲解。
1．1热传导
在教授过程中，首先求得物体内的温度分布，再利用傅里叶定律可以求得传递的热流量，求解物体内的温度分布是关键。明确解决物体内温度分布的完整的数学描写是导热微分方程及定解条件，导热微分方程是一个二阶的微分方程，通过能量守恒和傅里叶定律推导而来，是解决导热问题的基础。定解条件分为初始条件和边界条件，边界条件分三类对应着高等数学上解二阶微分方程时三类边界条件，所以学生可以把前面学习解二阶微分方程的方法用到这里，能更好地理解热传导问题。对于稳态热传导的几种常见的情形是通过平壁的导热，又分单层平壁和多层平壁。通过圆筒壁的导热，可分为单层圆筒壁和多层圆筒壁，前面的导热满足共同的特点即已知边界上的温度值，这些都属于第一边界条件的热传导问题。对于第二类及第三类边界条件的导热问题，可以通过举电熨斗底面的导热问题为例进行讲解。对于稳态导热的一个特例-肋片导热，在学习过程中，要注意对于复杂的工程传热问题的处理方法，即忽略影响问题的次要因素，经过适当的简化建立合理的物理与数学模型，从而运用已有的数学和传热学知识进行求解。对于非稳态导热的内容讲述首先明确非稳态导热的基本概念，理解非正规状况阶段和正规状况阶段及Bi数对平板中温度分布的影响。然后理解常见的几类非稳态导热。对于零维问题的解决方法－集中参数法，其适用范围是针对特征数Bi的大小来确定的。热电偶是讲述零维问题的特例，对于理解零维问题和集中参数法有着很大的帮助。对于一维物体非稳态导热分三种情形，分别为平板，圆柱，球，这三种情况下的解很复杂，从而有必要对结果进行简化，简化的依据是特征数FO＞0．2后，略去第二项及后面的项所得结果与不忽略时的完整结果偏差小于0．1％[5]，从而对结果进行了简化。在工程上对于非稳态导热正规状况阶段的解决方法是图线法（海斯勒图）及近似拟合公式法。热传导内容多，公式多，在学习过程中可以用类比法更好地识记各种情形下的公式。达到对公式的理解和应用。
1．2对流换热
对流传热的内容在教授过程中，首先明确要得到各种对流情形下的换热量，可以利用牛顿冷却公式，公式中的表面传热系数是未知量，故求解各种情况下的表面传热系数是关键。影响表面传热系数的因素有很多，有必要按照主要的影响因素进行分类.求解对流传热问题需要解定解条件下的对流传热微分方程。对流传热微分方程包括质量守恒，动量守恒和能量守恒的数学表达式，共四个非线性偏微分方程，解析解很难获得，进展一直很小，直到20世纪初由普朗特和波尔豪森提出的边界层概念对上述方程组进行了简化，使得在理论上求解较为简单的对流传热成为可能，层流外掠平板就是典型的一例。应该明确的是即使对方程进行了简化，但影响对流传热的因素很多，在理论上无法得出解析解，在现阶段，对流传热规律的研究主要是通过实验法来进行。在实验上通过相似原理或者量纲分析法得到相似特征数方程，使得在实验上研究对流换热成为可能。对于对流传热分类树上常用的实验关联式，要明确实验验证范围，热边界条件明确，定性温度，特征长度怎样规定的。对于相变对流传热主要是掌握凝结与沸腾传热，其基本特点，计算关联式的使用及强化相变传热的主要实现技术是主要内容。这一块内容的微观物理图像很难想象，在讲述过程中，为了增加学生的兴趣，可以举相关的例子，讲述沸腾换热时，可提到“响水不开，开水不响”，引发学生的思考，再讲述沸腾换热的原理，使得同学们对沸腾换热有更深的理解。对流换热的情形多，在讲述过程可以通过案例分析法对某一些对流换热进行讲解，到达举一反三，更好的理解对流换热。
1．3辐射换热
热辐射的物理机制与导热和对流截然不同，后者是物体的宏观运动和微观粒子的热运动引发的能量转移，而前者是物质的电磁运动引起的能量传递，与前面的研究方法截然不同，用到更多物理学上的知识。热辐射引入了很多新的概念与定律，比如黑体、辐射力、光谱辐射力、吸收比，穿透比、辐射四次方定律、普朗克定律、维恩位移定律等等，理解这些概念和定律是学好热辐射的基础。
1．4换热器
换热器的传热过程传递的热量由传热方程确定，对于换热器需要理解它的稳态工况的热设计，包括设计计算（确定传热面积）或者校核计算（承担的热负荷），基本依据是能量守恒定律和对数平均温差的四个假定。设计计算时应采用对数平均温差方法，根据实际的传热过程选择合适的换热形式，进而计算出传热系数。对于校核计算，采用迭代法计算对数平均温差，初始值的选取对于计算的结果有较大的影响。需要确定传热器的多少传热面积作为计算面积，不同的传热面积可以导致传热系数相差很多。辐射换热和换热器内容抽象，理解困难，在讲授过程中，可以通过设定一个问题，让同学讨论，即通过讨论法来加深对内容的理解。
2结论
传热学课程涉及的知识点多，数学表达式多，在讲述过程中要避免一味地推导公式和罗列结论，而是简化推导过程，重点放在每一个公式在工程上有什么用，怎样用，有什么注意事项，力求能理解每个公式在工程上的应用，为以后的就业打好基础。或者将每一个公式，知识点与考研，学科竞赛相联系，让学生从思想上意识到现在学习的知识的重要性。传热学课程的内容虽然多，但具有连贯性，可以学习完每一部分后做一个表格或者思维导图，总结知识点和公式,加深理解。通过对传热学课程四大块内容的归纳总结和学习方法的探讨，相信在学习传热学课程时目的性更强，能更好地理解内容，达到教学目标。
作者：逯田力 高德营 单位：聊城大学东昌学院
【参考文献】
［1］杨世铭,陶文铨.传热学[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.
［2］阮芳,龙激波,等.传热学课程教学方法的研究与实践[J].高等建筑教育,2015,24(6):93-96.
［3］李友荣,杨晨,等.“传热学”课程教学改革研究与思考[J].中国电力教育,2010,32:66-67.
关键词：高职高专；热工理论及应用；教学手段
作者简介：陈明付（1964-），男，福建泉州人，福建电力职业技术学院机电工程系，副教授。（福建泉州362000）
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）13-0061-02
高职高专的人才培养目标是为经济社会培养出适应生产、建设、管理、服务一线需要的、掌握“必需、够用”的专业理论知识、具有较强的高素质技能型人才。“热工理论及应用”是高职高专“电厂热能动力装置”和“火电厂集控运行”（以下简称热动、集控）等专业的一门必修的重要的职业技术基础课程，是福建电力职业技术学院（以下简称“我校”）热动、集控专业开设的第一门职业技术基础课程，安排在大一下学期开课。多年的教学座谈会反馈，该课程难教难学。那么如何在一学期内组织有效的教学，达到培养目标的要求，是摆在任课教师面前的一个重要课题。笔者在多年教学的经验上，总结了以下几点体会。
一、了解学生
1.文化基础总体比较薄弱，学习积极性不高
高职高专学生的录取批次是普通高校的最后一批，文化基础较本科高校的学生要差一些。同时不少学生由于高考成绩的限制，无法进入自己喜欢的学校或专业就读，学习缺乏动力；加上部分学生不适应老师的教学方法，或某些知识点听不懂，又未得到及时解决等原因，造成学生对所学专业或某课程缺乏热情，学习动力不足，影响了学习的积极性。
2.注重动手能力和专业技能
高职高专学生的学习情绪化较强，对于内容枯燥的理论性太强的内容，学习兴趣不高，学习效果不好；而对于实用的实践教学环节，他们的学习兴趣明显高于理论课程的学习，学习的积极性和主动性较高。
二、熟悉教材
1.课程的内容和教学目标
我校选用的教材，是由武汉电力职业技术学院景朝晖主编的《热工理论及应用》（第二版）。该教材包括工程热力学和传热学两部分的内容，其中工程热力学部分是研究热能和机械能相互转换的规律，以及在火电厂中的应用；传热学部分是研究热能传递的规律，以及在火电厂中的应用。[1]
学生通过学习，应掌握热力学和传热学的基本理论，能正确运用热力学知识定性分析和定量计算基本热力过程和蒸汽动力循环的技能，运用传热学知识定性分析和定量计算传热过程的技能，为后续的如锅炉、汽轮机、热力发电厂等职业技术课程的学习奠定基础，并为今后从事相关工作提供重要的基础理论。
2.课程的特点
工程热力学部分内容的特点是：内容多而且理论性较强、概念多而且抽象难理解、公式较多而且应用条件复杂。[2]传热学部分内容的特点是：三种传热方式有不同的传热机理、表现，自成体系，所以内容连贯性和系统性较差，但又有一定的规律可循。[3]
三、讲究教学方法、注重教学手段
1.培养学生的学习兴趣
笔者安排在学院的仿真机教室上第一次课，通过投影简介火电厂的生产过程和各种热工设备在火电厂中的应用、作用及所处的地位，让学生初步了解该课程所介绍的热工设备都是电厂生产中实实在在的东西，这些设备运行得正常与否，会直接影响到电厂生产的安全性和经济性；再提出一些诸如冬天用手分别触摸同一环境中的木块和铁块，为何感到铁块很凉，是因为铁块温度比木块温度低吗，[4]夏天吹电风扇为何感到凉快等生活中的实例。这些是生活中的常识，但又无法完全地解释清楚，这样学生就会带着好奇心去学习，于是就激发了学生的学习动机，培养了学生的学习兴趣。
第一次课，就给学生简介该课程的内容、特点和教学目标，让学生对该课程的总体情况有所了解，以便做好心理准备。另外，第一次课就给学生交代清楚该课程的学业成绩评价方法，并非仅仅通过期末闭卷考试来确定的，而是采用综合的评价方法，并且非常注重学习过程的成绩，使学生重视该课程的各个教学环节。
2.重组教学内容
在有限的课时里，紧紧围绕技能型人才的培养目标，根据“按需施教、学以致用”的原则，重组教学内容。“精讲”重点内容，比如对工程热力学部分，精讲压力、功、热量、焓、熵、可逆过程等基本概念和性质，理想气体的四个基本热力过程，热力学第一、二定律的涵义和在电厂中的应用，以及水蒸气的性质，状态和状态参数的确定和蒸汽的动力循环等，特别是蒸汽的动力循环；传热学部分，精讲三种传热方式的基本规律和传热器在电厂中应用的传热实例分析，传热的增强与削弱等，特别是传热器在电厂中应用的传热实例分析。
同时，上每一次课之前都要先给学生说明教学目标和重点、难点，这样就不会让学生感到盲目和主次不分。
3.灵活多样的教学方法
在教学中，教师可实行启发式、讨论式、互动式等教学方法，采用归纳法进行讲授，鼓励学生在自学的基础上提出问题、相互探讨、独立思考，然后由教师进行分析、总结，使学生不仅知其然，也知其所以然，能够建立自己的知识体系。[5]对一些有区别又有联系，而且难以理解的内容，教师通过上述教学方式，再列表归纳比较，可帮助学生加深理解。例如工程热力学部分：开口系稳定流动能量方程式的四个简化式；体积功、技术功、轴功、流动净功的涵义、表达式；理想气体四个基本热力过程的方程、比热、内能和焓的变化以及功和热量交换的表达式；朗肯循环、再热循环、回热循环、热电合供循环的汽耗率、热效率的表达式；传热学部分导热、对流、辐射三种传热方式的机理、表达式等内容，都可通过多种方法来组织教学，充分发挥学生的潜能，活跃课堂气氛，以此提高教学效果。在讲授传热学中用到的热阻和网络图时，将其与电工学中的电阻和电路图联系起来，学生就很容易理解并掌握了。
在讲授各知识点的时候，应时刻牢记高职高专的培养目标是培养第一线技能型的人才，因此应尽量讲该知识在电厂生产实际中的应用。
4.精选例题
由于受时间的限制，为了加深对重要公式的理解，必须精选有关本专业方向的、紧密联系电厂生产实际的例题，例如开口系稳定流动的能量方程的应用，朗肯循环、再热循环、回热循环和热电合供循环的经济指标的计算，导热、对流、辐射及换热器的传热计算等。
5.采用现代化的教学手段
高职高专教育是要培养高素质技能型人才，其特点是强化理论联系实际，因此在教学方法方面要强调工程实践性。在教学中，组织学生看幻灯片、动画展示，到学院模型室参观锅炉、汽轮机、回热加热器、空气预热器等模型，到学院实训中心参观水泵、风机等实物的办法，来分析它们构造、工作原理，以提高学生的感性认识，增强直观教学效果。但在推导一些简单的公式和讲解例题时，要用传统的板书方法，以展示分析和计算的过程。同时为了弥补多媒体教学进度太快的不足，教师可让学生把课件拷贝回去复习。
同时，为了理论联系实际，我校安排了下厂参观、认识实习、运行或检修实习（实训）等实践教学环节，让学生亲身感受电厂实际的工作氛围，缩小学校与电厂的距离。
6.培养获取信息的能力
工程热力学部分的内容已建成院级精品课程，一些相关的教学资料，如教师电子教案、课件、习题解答、实验指导书、学习指导书、参考文献目录、授课录像等均已上网络，任课教师应指导学生上网查阅，方便了学生自主学习。同时，我校还开通了教学论坛，便于师生课外交流、探讨。传热学部分的教学内容还未建成和上网，这样就告诉学生上其他兄弟院校的精品课程网站。
随着经济全球化的不断深入及知识、信息技术等的不断普及和火电厂新设备、新技术、新工艺的不断应用，高职高专学生需要培养创新精神和开拓能力，因此教师要在教学中训练学生利用Internet 获取相关信息的能力。
7.适时开展第二课堂，提高学生实践能力[6]
学院从设备、场地和资金上给予大力支持，选派教师跟踪指导、组织学生开展各类竞赛活动，如专业论文评奖、专业知识竞赛，适时结合实验、参观毕业班学生火电厂仿真系统的操作技能竞赛和就业应聘现场模拟会等活动，将课堂教学与课外活动有机结合起来，让学生感受职业氛围，培养严谨的工作作风，进一步激发学生的专业兴趣，提高学生职业素质和专业实践能力。
8.采用综合的学业成绩评价方式
改革一门课程、一份试卷、一个成绩的传统的学生学业成绩评价方式，采用综合评价，注重学习过程。此外，还应考虑学生的独特见解方面的成绩，且所占比例不应该小。如通过课外作业、课堂提问、课后辅导等途径加以收集，列成表格，建立《学生学业成绩登记表》，如表1。
四、结束语
为了使毕业生符合高素质技能型人才的要求，笔者通过分析高职高专学生的特点、培养学生的学习兴趣、重组教学内容、适时开展第二课堂、综合评价学生的学业成绩等教学方法和手段等方面进行了改革与创新，创造一个良好的学习氛围，培养了学生的自学能力、分析问题和解决问题的能力，提高了教学效果。
参考文献：
[1]景朝晖.热工理论及应用(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2009.
[2]曾冬琪,林小闹.提高“工程热力学”教学质量的方法漫谈[J].中国电力教育,2010,(16).
[3]吴怡,雒婧.“传热学”教学方法探讨[J].中国电力教育,2011,(7).
[4]宋长华,张友利.热工基础学习指导与习题集[M].北京:中国电力出版社,2008.
关键词：电渣炉 复合换热 Workbench/CFX 温度场模拟
一、问题的提出
本课题的提出以一个实际工程项目为依托，在实际生产中，电渣炉机械结构，尤其是电渣炉横臂上的电机等温度敏感的组件处于电渣熔炼时的高温环境中，高温对机械结构的影响不容忽略，特别是强辐射对电渣炉机械结构材料和电渣炉结构组件的影响，至使整个机械系统无法正常运行。因此，对电渣炉机械结构进行热温度场的分析是十分必要的。
二、电渣炉支臂的复合换热过程分析及相关数值计算
㈠复合换热过程分析
电渣炉的机械系统是实现电渣冶金工艺的执行载体，本文主要研究电渣炉工作时机械系统的温度场的分布问题。在电渣冶金生产中，发生的传热过程是一个复杂的过程。实践经验和现场生产告诉我们，当把结晶器渣池作为发热热源时，主要影响电渣炉支臂温度的主要因素有三个，即：（1）结晶器渣池向外的对流传热强度；（2）空气中热辐射强度：（3）支臂对空气的传导换热强度。
㈡空气作为传热介质的思路及其处理方式
普通传热学在讨论固态或液态表面之间的辐射传热时，往往认为表面周围的气体介质对辐射是透明的，对于像空气这样的气体在中、低温的情况下，这种假设是合理的。但在电渣冶金生产过程中，结晶器金属熔池内的金属和炉渣之间要发生一系列的物理化学反应，会产生大量的热和烟气，以混合气体为介质，进行对流、辐射传热，辐射能与介质的相互作用而发生吸收和散射。因此在本课题研究中，空气不能认为是辐射透明介质，应作为非连续性的辐射性气体介质处理。此时结晶器渣池附近的空气具有以下特性：（1）作为辐射介质，空气没有反射性；（2）空气的辐射和吸收频谱是间断的；（3）空气的辐射和吸收是在整个气体容积中进行的。
㈢复合传热的相关数值计算及辐射效应的分析
①支臂的导热系数。根据Miettinen针对普碳钢获得的不同温度下的固相导热系数,在不考虑Q235材料的材料成分、内部结构、吸湿性及密度和压力不随温度变化的条件下，可以得到普碳钢固相导热系数λ与温度T之间的线性回归关系式:：λ=46. 95-1.65×10-2T代入计算分析。
②渣池与空气对流换热系数。由于机械结构模型较大，对应的空气柱也很大，此时可以将空气与支臂的对流换热认为是无限大空间自然对流换热，作为大空间恒温壁对流换热处理。此时，取空气环境温度为Tf=30℃，渣池温度为Tw=1600℃渣池向空气中传递热量，由于粘性的作用，在贴近渣池表面处，流动的空气被滞止而处于无滑移状态。,联立对流换热微分方程和能量微分方程得到对流换热微分方程组。将无量纲的物理量代入微分方程组，又由于支臂属于大空间自然对流换热问题可得到自然对流换热的准则关系式： ，下标m表示定性温度为边界层的平均温度；常数C和n由实验确定，准则关系式中的为特征尺度，空气柱取高度值；得定性温度：Tm=℃=815℃
按Tm查烟气热物理性质，渣池渣面的自然对流换热表面传热系数 为：
③电渣炉渣池辐射效应的分析。将辐射热源项转化成表面传热系数作为判断依据，渣池辐射换热的表面传热系数 为：
，将参数代入式上中，得： ，对比渣池表面对流传热系数 和辐射换热的表面传热系数 可知，在电渣炉支臂的复合换热分析中，辐射热流起主导作用，不可忽略，辐射热流应作为源项加入到模型分析中。
三、支臂的Workbench/CFX温度场模拟分析
本文选用Workbench/CFX作为温度场分析和模拟的操作软件，选用三维实体软件Solid Works建模并对模型进行简化，首先在Workbench/CFX建立温度场有限元分析模型。
接着进行Workbench/CFX的前处理设置，包括网格划分，求解域、边界条件和求解参数等的设置，并进行求解和后处理， 模拟出支臂的温度场分布图如图1所示
由电渣炉支臂的温度场分布图可以形象的看出：（1）在纵向上，总体趋势是温度从电渣炉支臂的最底部到顶部逐渐减小。（2）在横向上，温度由横臂的外伸段部到与立柱连接部缓慢减小。（3）最高温度出现在渣池正对的横臂上，最低温度在立柱顶端。
对于分析仿真的结果可用传热学的基本知识进行解释，当渣池放出高温和强烈的热辐射时，受热空气主要向上流动，辐射热流呈半球形向外发射，临近且正对热源的横臂上温升最大，立柱上的温度随高度上升而下降是因为空气不断地向外部传递热量，同时横臂与立柱连接处上下两个圆板的温度分布则说明了热辐射的辐射效应。
四、结论与展望
本文在引入空气作为传热介质和辐射源的基础上建立电渣炉支臂的Workbench/CFX复合换热温度场的三维分析模型，分析了支臂在复合换热作用下的在温度场分布情况。分析结果可为今后设计电渣炉机械结构和热-结构、热-电磁-结构等多场耦合分析提供了理论依据和分析数据。但在空气的具体成分的处理、电磁热流的影响和多场耦合阿衡仍需进一步的深入分析。
参考文献:
[1]李正邦. 电渣冶金原理及应用[M]，北京:冶金工业出版社，1996.
关键词 动车组顶板；隔热；仿真
中图分类号 U266 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）092-0096-03
1 仿真计算方法
本论文研究中用有限单元法对车体结构进行划分，并通过加载第三类边界条件，利用计算仿真软件对车体的热工性能进行计算仿真。
对于无内热源稳态温度场的各向同性物体导热微分方程三维问题，方程的形式为：
第三类边界条件是指与物体相接触的流体介质的温度Tf 和换热系数α为已知。表示为：
α与Tf 可以是常数，也可以是某种随时间和位置而变化的函数。如果α与Tf 不是常数，则在数值计算中经常分段取其平均值作为常数。根据以上的计算公式，利用计算机对网格进行自动剖分，来进行温度场的计算。
2 传热系数计算方法
车壁一般分为三层：车体，隔热层，内饰件，按第三类边界条件的多层平壁导热计算，车体隔热均质多层壁的传热系数计算式如下所示：
车体内外表面的对流换热系数根据铁标《空调客车热工计算书》（TB1957-87），《客车采暖通风设计参数》（TB1955-87），《客车空调设计参数》（TB1951-87），对普通客车静止和不同速度下的车体内、外表面换热系数做出的规定确定。以列车时速350 km/h计算，内表面换热系数推荐为8 W/（m2·K），外表面换热系数考虑车速的影响，按铁路合作组织备忘录P-538/3推荐换热系数的计算公式计算：
通过上式，可计算出不同速度下车体外表面对流换热系数，如350 km/h速度车外表面的对流换热系数为176.2 W/（m2·K）。
3 构件传热模型及仿真计算
根据典型结构以及做仿真模拟计算的典型温度，在构件的仿真模拟当中采用以下的边界条件：
3.1 双层铝合金型材顶板有风道传热模型及仿真计算
3.1.1 设定条件
3.1.2 建立模型及划分网格
3.1.3 温度场
对于双层铝合金型材顶板有风道处，车体内部表面的温度由图可见，其分布比较均匀，约为19.40℃，内壁温度高于车内空气的露点温度，故型材处车体内壁不会出现结露。
3.1.4 热流密度
根根据仿真结果可得热流密度：
以双层铝合金为整体，按多层平壁传热热流密度计算公式，计算结果为：
仿真结果比以双层铝合金为整体计算得出的结果大0.2﹪。可得等效传热系数：
3.1.5 测试
该测试采用平板法测量材料的传热系数，这是一种稳态法，实验中，物件制成平板状，根据传热系数测试标准（ASTMD5470-01）进行，测试标准中规定为防止待测试件向周围散热对测试结果产生的影响，测试时对所有试件进行了保温隔热处理，试验过程中可以认为，物体内只有垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处温度相同。在实验室测试中，当传热达到稳定状态时，测出上下板表面温度θ1和θ2，再利用傅立叶导热方程式：
式中：λ为物件的导热系数，hB为物件的厚度，S为物件的平面面积，实验中物件为圆盘状，设圆盘物件的直径为dB，则由（5）式得：
可以计算出其传热系数为0.275W/（m2·K），不难得出，测试结果比以双层铝合金为整体计算得出的结果小5.17﹪。误差控制在10%，保证了测试精度。
材料的结构变化与杂质多少对导热系数都有明显的影响。同时，导热系数一般随温度而变化，所以实验时对材料成份，温度等都有一并记录。
3.2 双层铝合金型材顶板无风道传热模型及仿真计算
3.2.1 设定条件
3.2.2 建立模型及划分网格
3.2.3 温度场
对于顶板有风道处，车体内部表面的温度由图可见，其分布比较均匀，约为18.80℃，内壁温度高于车内空气的露点温度，故型材处车体内壁不会出现结露。
3.2.4 热流密度
根据仿真结果可得热流密度：
以双层铝合金为整体，按多层平壁传热热流密度计算公式，计算结果为：
仿真结果比以双层铝合金为整体计算得出的结果大2﹪。可得等效传热系数：
原理同上，由实验测试为0.106W/（m2·K），测试结果比以双层铝合金为整体计算得出的结果小3.64﹪。误差控制在10%，保证了测试精度。
4 结论与分析
1）双层铝合金型材顶板有、无风道传热系数都较小，且有风道构件传热系数比无风道传热系数还小，这主要因为风道的存在起到了很好的隔热效果。
2）虽然俩种构件的传热系数较小，但是传热面积很大，所以传热量也很大，在进行动车组隔热的过程中要给予足够的重视，同时，在内饰材料的应用上要尽可能的选择导热系数小的材料以确保整车有良好的隔热性能。
参考文献
[1]M.A.R.Akhanda.Natural Convection Heat Transfer From a Hot Rectangular and a Square Corrugated Plate to a Cold FlatPlate[J].JournalofthermalScience. 2000 9 3 ：243-248.
[2]章熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.
[3]吴俊云，王刚，刘训海等.空调客车厢体结构传热数值分析[J].上海理工大学学报，2005，27（4）：28-290.
关键词：节能灶；传热性能；热能
Research and analysis of novel multifunctional energy-saving stove
thermal efficiency
Meng wei ,Yu Hongyan
（jilin agricultural Science and Techenology University of BuildingEngineering ,jilin 132101 ,china)
Abstract:This paper through the research of new type multifunctional energy-saving stove heat transfer performance and the heat loss of exhaust gas heat energy utilization etc., comprehensive analysis of energy-saving stove, further demonstrate the performance of the stove,provide the theoretical basis for its production and promotion. Keywords:energy saving stove; heat transfer performance; heat
中图分类号：TE08文献标识码： A
引言新型节能灶的推广，是保护生态环境的迫切需要，也是提高人们的生活质量的一次重要的改革。根据对新型多功能节能灶热效率的分析，总结其节能原理，论证其性能，为其顺利推广提供理论依据。
1传热性能
1.1热效率
1.1.1薪柴发热量
薪柴是树木提供做燃料的生物质，主要有树木的枝杈，在林区、山区和木材加工地区。薪柴是树木通过光合作用生长成的生物质，主要由碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素组成，其中主要元素含量为：碳49.5%，氢5.6%，氧43%，氮1%。
木质燃料的发热量可根据木材的元素组成通过计算近似求出：
高发热量HHV=8100C+34200（H-O/8）
式中C、H、O为木材中碳、氢、氧元素的百分组成。
1.1.2热效率计算
热效率就是送入炉灶的热量中有多少被有效利用了。用η表示。
η=利用有效热量/总发热量
通过对新型多功能节能灶的实验：0.5kg木质燃料（C=0.5，H=0.06，O=0.43），用10分钟，烧开5开关的水。假设水的温度从20℃升到100℃。升温获得的有效热量为：
Q1=水（5kg）×水比热（4.187kJ/kg）×（100-20℃）=1674.8kJ
木质燃料的高发热量为：
HHV=8100C+34200（H-O/8）=17991kJ/kg
总发热量为：
Q2=0.5kg×HHV =8995.5kJ
热效率为：
η= Q1/ Q2=1674.8/8995.5=18.6%
1.2传热阻
1.2.1传热过程
热量传递的基本方式有三种：热传导、热对流和热辐射。当物体内有温度差或两个不同温度的物体接触时，在物体各部分之间不发生相对位移情况下，物质微粒的热运动传递的热量，这种现象称为热传导；流体中，温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程为热对流；物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射。
1.2.2传热阻计算
R=Ri+Rw+Ro
Ri=1/（hcA）=1/（hci+hri）A
Rw=δ/（λA）=δw/（λwA）
Ro=1/（hoA）
R―总热阻Ri―对流热阻Rw―导热热阻Ro―辐射热阻
A―传热面积h―传热系数λ―热导率δ―导热厚度
锅厚度为5mm，热导率为40W/(m・K)，hci为470W/(m²・K),hri为25 W/(m²・K)，ho为2000 W/(m²・K)。
经计算总热阻R为2.625×10-3 K/W
2余热利用
2.1各项热损失分析
2.1.1排烟热损失
灶的排烟温度很高，往往高于大气温度，所以会带走热量，烟气温度愈高，带走的热量就愈多。
2.1.2气体不完全燃烧热损失
在排出的烟气中，尚有未燃尽的气体（CO等），就会产生气体不完全燃烧热损失。
2.1.3固体不完全燃烧热损失
在木柴中，碳是不易燃尽而且最后燃烧的部分，碳的燃尽阶段和新柴添入往往重叠在一起，所以都会增加灰渣中残留碳，导致固体不完全燃烧热损失。
2.1.4散热损失
包括经过灶体，灶门和缝隙等处散跑的热量。
2.1.5灰渣带走的物理热
木柴燃尽后，以灰渣的形式残留，其温度往往高达上百度，农民在冬天将灰渣放入火盆中取暖，就是利用了木柴燃尽后留在灰渣中的热量。
2.2排烟热损失计算
新型多功能节能灶利用烟气的高温来烧水，做到了大部分余热回收利用。下面计算烟气排放所带走的热损失以便进一步计算烧水的效率。
Q=Vpy×Cpy×tpy-VIK×CIK×tIKkJ/h
Q―排烟带走的热量，kJ/h
Vpy―排烟容积量，m³/h
Cpy―排烟平均容积比热，1.36kJ/m³・℃
tpy―排烟温度，℃
VIK―冷空气供给量，m³/h
CIK―冷空气比热，1.29kJ/m³・℃
tIK―冷空气温度，℃
其中：VIK=B×α×V0
VPY=（0.01866（CY+0.375SY）+0.111HY+0.0124WY+0.008NY+（1.0161α-0.21）V0）×B
式中：B―每小时燃料消耗量，kg/h
CY，HY，SY，NY，WY―为组成各元素的组成百分数值
V0―每kg燃料理论需要空气量，m³/kg
经实验，新型多功能节能灶每小时燃用4kg玉米秸，假设冷空气温度为10℃，排烟温度为100℃。α=2.4。
先计算V0：
V0=0.0889×42.17+0.265×5.45+0.0333（0.12-24.32）=4.387m³/kg
VIK=B×α×V0=4×2.4×4.387=42.12m³/h
再计算排烟量：
VPY=4×(0.01866(42.17+0.375×0.12)+0.111×5.45+0.0124×4.87+0.008×0.74+(1.0161×2.4-0.21)4.387)=44.92 m³/h
计算排烟带走的热量Q：
Q=44.92×1.36×100-42.12×1.29×10=5565.77 kJ/h
秸秆每小时燃烧的热量为58400kJ/h
排烟热损失为：5565.77/58400=0.0953
结语 通过计算热效率，可以看到新型多功能节能灶热效率高达18.6%，近视普通灶的两倍，大大提高了热效能。利用计算的排烟热损失可以看出余热回收装置的重要性。这些理论计算为新型多功能节能灶顺利推广提供理论依据。
参考文献：
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作者简介：
关键词：空间制冷 冷链 热导率
0 引言 随着空间红外探测技术的发展，空间制冷技术也得到了高速的发展，已出现了多种制冷方式，如辐射制冷、机械制冷、复合制冷等，而机械制冷中又有斯特林制冷、脉管制冷等。其结构形式则是多种多样，如辐射制冷器中就有W型、L型、G型、V型、O型等，而机械制冷的结构形式则更是多种多样，很不规则，针对每一不同的探测器及冷箱结构，就会有不同的制冷结构形式。
目前，随着空间红外探测器由单元、多元，发展到大规模焦平面，对空间制冷技术也提出了更高的要求。由于焦平面探测器探测元数多，导致其长度或面积很大，而其温度均匀性必须被控制在很小范围内，因此不能简单的采用制冷机冷头与探测器冷平台直接联接的方式，必须对其进行多点制冷，同时涉及到对制冷机冷量的有效传输，而探测器对制冷机的振动也更加敏感，必须尽可能减小制冷机的振动对探测器的影响，因此，需要设计专用的冷链来实现以上两个目的。
1 冷链的研制情况 在空间应用领域，冷链的研制与其实用性是密切相关的，因此，国内参与研制的单位并不多。我们的研制也是以具体的型号任务研制为背景的，具有很强的针对性，但其研制工艺具有普遍的意义，可为将来大规模焦平面探测器及大冷量制冷机的大量应用积累技术储备。
1.1 冷链材料的选择
冷链的研制目的之一是要在低温下实现高效传热，因此，其材料必须具备良好的低温热导率。图1所示为不同材料间热导率与温度间的关系。由于焦平面探测器的工作温度大多在100K左右，从图中可以看出，在此温度范围内，钻石的热导率是最高的，其次是纯铜，然后是纯铝等。由于我们研制的冷链还必须起到隔振的作用，因此，采用钻石不能满足要求，且价格昂贵。而高纯铜则不同，经过退火处理的铜片或铜丝具有很好的柔性，且低温热导率比铝好，因此，我们选用高纯铜作为研制冷链的材料。
1.2 冷链的研制
以高纯铜为材料来研制冷链，其原料的主要结构形式可有两种考虑，即铜丝和铜片。
以往的研究表明，以铜丝作为材料来研制冷链，其头部的固定将会非常困难，而为了达到很好的传热效果，以及从冷链的可靠性上考虑，需将铜丝捆绑在一起，这时会发现，冷链将变得很硬，从而失去我们所需要的柔性。因此，我们选择铜片作为研制冷链的原料。
图2所示为我们研制的冷链样品的实物照片。在研制过程中，我们选择了厚度为0.1mm，经过退火处理的高纯铜片为原料，根据高纯铜的相关物性作了初步计算，以确定铜片的相关尺寸，接下来将铜片切割成我们所需要的尺寸，然后采用特殊的焊接工艺将铜片两端焊接在一起，最后在焊接好的两端打孔，用以固定冷链。
2 冷链的试验 样品冷链研制完成后，其最重要的性能就是它在低温下的热传导性能，即冷链的低温热导率。为此，我们设计了专用的液氮杜瓦，并进行了充分的试验，获得了大量的数据。
2.1 冷链试验用液氮杜瓦的设计
液氮杜瓦基本结构如图3所示，主要由内胆和外壳组成。试验时，中间利用分子泵机组抽真空，使其保持较高真空状态；为了防止液氮的过度蒸发，在杜瓦内胆上包有多层绝热层，从而大大减小液氮杜瓦内胆与外壳之间的辐射换热。
冷链一端安装在杜瓦内胆的底部，而另一端悬空，上面装有两只铂电阻和一只加热片，其电极引线通过液氮杜瓦外壳上的密封插座引出。
2.2 冷链的试验
冷链安装在试验液氮杜瓦内，并连接好测温铂电阻及加热片引线，同时在杜瓦外部连接两只万用表来测量铂电阻的阻值变化，另外串接一台稳压电源和一只万用表，用以实现对加热片加热，然后便可开始试验。
测量冷链低温热导率的试验过程大致可分为三个阶段：
第一阶段为杜瓦抽真空阶段。利用与杜瓦抽气口相连的分子泵抽气机组，使杜瓦内真空度达到1×10-4Pa以下后，便可进行第二阶段的工作。
第二阶段为降温阶段。在杜瓦内加入液氮，同时记录铂电阻的阻值变化情况。待铂电阻的阻值稳定后，便可进行第三阶段工作。
第三阶段为加热阶段。利用稳压源和万用表，向加热片通入电流，使加热片获得恒定的加热功率，同时记录铂电阻的电阻变化情况，待稳定后便可停止加热。
为了获得更可靠的结果，可改变加热片的加热功率，以获得多组冷链的传热数据，从而为数据处理提供足够的资源。
转贴于 3 试验数据的处理
（1）
准确计算得出。
图4所示为其中一次试验过程中记录的冷链两端的温度变化情况，以及加热后的温度变化情况。图中，曲线B和曲线C所示分别为铂电阻4和铂电阻7所测得的降温曲线，曲线D和曲线E分别为铂电阻4和铂电阻7所测得的在加热后的温度变化曲线，而我们最关心的则是在稳定后的温度值。
试验过程中，由冷链本身造成的冷量损失主要由三部分组成：固体导热、表面辐射传热和残余气体导热。而试验本身并未测出该部分冷损值，暂且以来表示。在液氮杜瓦的温度、内部压强保持不变的情况下，冷链的表面辐射传热和残余气体导热将保持不变，而不会对试验数据的处理造成影响，由此，将全部看作是由于固体导热而造成的冷量损失，当加热片加热量为零时，由固体传导漏热公式得
（2）
式中：—冷链的低温热导率；
—冷链传热方向上的横截面积；
，—铂电阻4和7测得的稳定温度值；
—冷链的有效长度。
此时，公式中和均为未知量，因此无法计算出各自的值，而则为我们需要的量。
在冷链的加热片上通上几十毫安的微小电流，施加功率为的加热，稳定后可测得此时铂电阻的电阻值，从而得出冷链两端的温度值，分别表示为和。由于，与，之间的相对变化量很小，由此引起的的变化量就非常小，因此，可看成是一定值，同时忽略此时的变化量，由此可得
（3）
由公式（2）和（3）便可计算出此时冷链的低温热导率。
在试验过程中，通过改变加热片的加热功率，得出了多组稳定的温度值，后以加热功率最接近的两组测量值组成一组，代入公式组成方程组，解出多个值，对各值取平均，以表示，便可近似看作该温度点附近的热导率。
从试验结果来看，冷链在我们需要的温度范围内的低温热导率已接近高纯铜本身的值，因此，该冷链的研制是成功的，可以满足实际应用的要求。
4 结论 经过一段时间的工作，我们研制出了样品冷链，并对其进行了充分的试验，获得了所研制的冷链的低温传热性能。数据表明，其传热性能达到了设计时提出的要求，是可以满足应用需要的。
在冷链的研制过程中，我们总结出了一套完整的研制工艺，并可根据具体的要求，在满足传热性能的条件下，调节冷链的相关参数，从而实现对冷链柔性的调节，研制出满足不同需要的冷链，为今后的工作打下了坚实的基础。
关键字：空气-水两用型平板型太阳能集热器，空气间层，数值模拟
中图分类号：TK511文献标识码： A
0前言
太阳能是一种资源丰富，无污染的可再生能源。自古以来，人们对太阳能利用的研究从未间断过。近现代以来，随着科学技术的飞速发展，工业革命给地球带来了翻天覆地的变化，也使得环境污染和能源危机问题的亦日益加剧。太阳能因其独特的优势而成为国内外科学家的研究焦点，如何高效利用太阳能资源是缓解环境污染，缓和能源危机，保证人类社会可持续发展的重要途径。太阳能集热器是太阳能利用的重要技术之一。平板型太阳能集热器因其成本低，承压高，结构简单和安装方便而获得广泛应用。国内外学者对提高平板型太阳能集热器的集热性能展开了大量研究[1]。
平板型太阳能集热器在吸热板和玻璃盖板之间存在一个空气间层。许多学者就空气间层厚度对集热器换热能效的影响开展了许多数值模拟与实验探究。近些年来，许多学者提出空气和水两种介质同时在集热器内换热的的空气-水两用型集热器。即在提供生活热水的同时，在空气间层两侧开口并在一侧加一风机送风，用以收集集热器空气间层内的热空气用来为房间送新风，并为此进行了大量实验研究。本文通过建立平板型太阳能集热器模型并利用CFD模拟技术对其空气间层集风进行数值模拟，获得了入口速度和出口温度的关系，并得出了合理的风速建议值，可以为下一步的实验工作提供理论支持和实验指导。
1物理模型
平板型太阳能集热器主要由玻璃盖板、空气间层|吸热板、保温层、集热器外壳以及流道组成。本文研究的平板型太阳能集热器空气间层的平面图如图1 所示。空气流道即空气间层高0.1m，长2.2m。其上部为真空玻璃盖板，下部为吸热板（其上涂有选择性吸收涂层），二者之间为空气间层。底部及四周做岩棉保温层。
平板型太阳能集热器工作原理是：涂有吸收层的吸热板吸收透过玻璃盖板的太阳辐射，将太阳辐射转化为热能。吸热板温度升高，由于吸热板两侧上部充满空气，下部有生活用水，它会与空气和水进行对流换热，水和空气温度升高。空气-水两用型平板型太阳能集热器集热器两侧的的上下两端分别设置空气进出口并与空气间层相连接，在其下端设置一风机以一定的风速向空气间层内送风，空气在空气间层流动时会与吸热板进行换热而得以加热，最终热空气在另一侧上端流出到集风管道中并最终与生活热水一样到达用户。
1-太阳辐射，2-玻璃盖板，3-空气间层，4-吸热板，5-保温材料
图1 空气间层示意图
2 数学模型
为了简化空气间层的换热计算，做了如下假设[2-3],：
（1） 空气为不可压缩粘性流体且满足Boussinesq 假设。
（2） 太阳能集热器空气间层下部为吸热板，其吸热后对空气进行加热，将吸热板简化为一个热流密度边界条件。
（3），玻璃盖板间传热忽略不计，吸热板与玻璃盖板间辐射换热忽略不计，即将玻璃盖板简化为一个对流换热边界条件。
（4）由于太能能集热器四周做岩棉保温层，壁面热损失忽略不计，即将其他壁面简化为一个绝热边界条件。
其控制方程[4]如下：
连续性方程： （1）
动量方程： （2）
（3）
能量方程：（4）
湍流方程：
k方程：（5）
方程： （6）
其中：式中，u、v分别为x方向和y方向的速度；g为重力加速度； 为热膨胀系数；T为温度；ρ为密度；、为湍动能和湍动耗散率对应的普朗特数；为湍流粘性系数且；为由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；为由浮升力引起的湍动能k的产生项;；为可压缩湍流中脉动膨胀对总的耗散率的影响；、、为经验常数。
3 边界条件
本文以空气间层为研究对象，为简化计算，我们将集热器的三维模型简化为平板二维模型进行数值模拟计算。空气间层的右侧入口为速度边界，入口速度取1-3m/s，步长取0.2；左侧出口为压力边界；下表面吸热板为恒定热流密度边界，其热流密度为吸热板吸收率与太阳辐射照度的乘积；上表面玻璃盖板因忽略玻璃板厚度而简化为对流换热边界，对流换热系数取6.4W/m2*K；根据当地气象参数，室外温度取268.15K，太阳辐射照度为700W/m2；其余表面为绝热条件。
4 模拟与结果分析
通过CFD模拟获得入口速度与出口温度关系图如图2，室外空气在风机的作用下进入空气间层。在被底部吸热板加热后产生空气浮生力，热空气上升，最终流出空气间层到达集风管道中。
图2 入口速度与出口温度关系图
由图2可知，空气间层出口温度随入口速度的增大而逐渐减小，且在2.6m/s左右时开始逐渐趋于平缓。随着速度的增大，流出集热器的热空气质量流量亦随之增大。在入口速度为3m/s时，出口温度大约为40℃，可以很好的满足室内送风温度要求。因此空气间层集风入口速度建议值为3m/s。
5 结论
本文以空气-水平两用型板型太阳能集热器的空气间层为研究对象，通过建立其二维物理模型和数学模型并利用CFD模拟技术对其空气间层集风进行了数值模拟。模拟了其不同入口速度下的出口温度与入口速度的关系。模拟结果发现：随着入口风速的增大，出口温度逐渐减下；入口速度在1-2.6m/s之间时，出口温度下降比较快，而在人口速度为2.6m/s之后，其温度下降梯度趋于平缓；在入口速度为3m/s时，出口温度大约为40℃，此时可以获得满足室内通风要求前提下的最大风量，因此实验风速建议值为3m/s。
本文通过数值模拟为实验提供了指导和理论依据。接下来将会根据数值模拟结果进行试验台设计为进行实验测试，通过与模拟结果对比，对空气-水平两用型板型太阳能集热器的集热效率进行优化设计。
参考文献：
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Abstract： On the background of China University of Mining and Technology， for the undergraduate college of School of Electrical and Power Engineering， in order to solve the absence of innovation ability and the deficiency of top-notch innovative talents mechanism， the establishment and implementation programs of the top-notch innovative talents mechanism in the field of heat and mass transfer are explained.
关键词：传热传质；创新；拔尖创新人才
Key words： heat and mass transfer；innovation；top-notch innovative talent
中图分类号：G640 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）11-0254-02
0 引言
①研究现状。
在我国能源的生产量已居世界前列的大背景下，工业生产中能源的利用率依然较低。2006年2月9日，国务院发文《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》，并将能源作为第一个重点领域列入其中，而工业节能作为能源重点领域的第一个优先主题也被写入该规划。可见，工业节能是我国能源领域的重中之重。以工业生产为例，换热设备已经广泛地应用在石油、化工、冶金、动力、材料等相关领域，且换热设备占总投资比重约为30%～45%。另外，换热设备的自身结构和其换热效率在很大程度上与能源的高效利用息息相关。由此可见传热传质在换热设备的重要性。
魅却质学科隶属动力工程及工程热物理一级学科。动力工程及工程热物理一级学科每年举行年会，包括传热传质、多相流、燃烧学、热力学分会。其中传热传质分会规模最大，每年的年会人数均超过1000人。而多相流、燃烧学、热力学都会涉及到传热问题，离不开传热传质，而传热传质又离不开拔尖创新人才，传热传质领域的拔尖创新人才培养已经迫在眉睫。
目前，国内相关领域的研究学者已对拔尖创新人才的培养机制进行了一定程度地研究。薛永武[1]从人才成长规律和人才培养模式两方面出发，对拔尖创新人才的发展和培养进行了一定程度地研究。张秀萍[2]以目前国内的大学教育创新作为切入点，对拔尖创新人才的培养进行了探讨。徐晓媛等人[3]将影响拔尖创新人才的因素作为突破口，通过调研和思考结合的方式，系统地讲解了拔尖人才培养的途径及影响因素。王勇等[4]对材料专业拔尖创新人才培养的现状进行了分析，并对培养模式进行了深入地探究。康重庆等[5]研究了电气工程学科领域的本科拔尖创新人才的培养模式。史明等[6]分析了工科高校生物工程专业拔尖创新人才培养模式。王牧华等[7]研究了交叉学科领域本科拔尖创新人才的变革方式进行了相关方面的探索。康若t等[8]通过实践探索了生物学领域拔尖创新人才培养模式。包水梅等[8]分析了目前我国相关单位和高校在拔尖创新人才培养中遇到的瓶颈，并对瓶颈产生的原因以及解决瓶颈的办法进行了研究。
从目前拔尖创新人才的研究现状来看，传热传质领域创新人才的培养机制的研究还未见报道，传热传质领域创新人才的培养模式的建立亟待解决。
中国矿业大学的前身是1909年创办的焦作路矿学堂，是矿业学府中办学规模最大、办学实力最强、学科体系最全的高校。能源与动力工程专业作为学校中的重要学科，拔尖人才培养不容忽视。
目前，能源与动力工程专业拥有能源与动力工程实验中心及省级学科综合训练中心，所以实验教学及实验课堂的内容丰富充实，实验类型多样化，例如：验证型、设计型、综合型及自主创新型等。此外，目前学院的实验室采用开放式管理，只要网上预约就可以快速进入实验，力争全方位地为学生提供快速优质的实验教学服务。近两年来，投入1000多万元全面更新、补充了实验设备，为自主创新型实验提供了充分的保障。
依托于学院的实验室，由于受到场地和人数的限制，本科生对实验的了解还是处在表面上，属于高等大众教育，没有激发起学生的创新能力，也没有起到培养拔尖人才的作用。所以依托现有资源，建立健全传热传质学科领域拔尖创新人才的培养机制是一个亟待解决的难题。针对这一问题，拟依托教师个人的科研项目，将其与培养拔尖创新人才的过程结合起来，建立一套传热传质领域拔尖创新人才培养机制。
②研究意义。
中国矿业大学能源与动力工程专业的招生规模达到了8个自然班级，人数超过了200人。以高等大众教育为基础，实施传热传质领域拔尖创新人才培养机制，使一些传热传质领域的拔尖人才得到培养。这个模式可以在高校中因地适宜地推广，为我国传热传质领域培养更多的拔尖创新性人才。
1 拔尖创新人才培养模式
目前，根据中国矿业大学电气与动力工程学院的传热传质领域的现状，以电气与动力工程学院的本科生作为培养对象，研究且探索了传热传质领域拔尖创新人才培养机制。重点开展以下内容：
1.1 以教学为手段，引导学生查阅和追踪最新文献的能力
查阅和追踪最新文献是拔尖创新人才必备的科研技能之一，始终站在巨人的肩膀上前行是学生在科研道路上所要坚持的，做到时刻不落伍。在笔者一些教改项目（教育部高等学校能源动力类专业教育教学改革项目、中国矿业大学教育教学改革与建设项目）的支撑下，让学生参与到课件PPT的制作中去，让学生自己学会查阅最新知识，并添加到课件的PPT中去。
1.2 以科研项目为驱动，末位淘汰制的拔尖创新人才培养
以本人的科研项目（包括国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目）为支撑，引导学生参与到科研中，发掘W生的创新能力，对创新能力差的学生实行末位淘汰制度，对表现突出的学生实行奖励制度，从而激发学生的最大潜能，进而培养一些拔尖创新人才，再逐渐引导这些能力出众的学生在本人的指导下进行毕业设计，进入研究生阶段之后，在本人的指导下，学生也从事的与本人科研课题及创新项目相关的内容，这样就能使学生能能够在某一方向进行连续的研究，具有一定的延续性，这样更有利于培养出优秀的拔尖创新人才。
1.3 启发学生自主创新人才模式的研究
在指导教师大方向的指引下，充分给予学生在科研的主动权，允许学生在科研中犯错，充分尊重学生的一些奇思妙想。通过自己的建议激发学生的奇思妙想，并鼓励他们积极涉及新鲜的领域，对学生自己的一些创意应给予大力支持，进而使学生的自主创新能力得到充分发挥，力争具备拔尖创新人才应该具备的科研素质和科研思维。
2 实施方案
以中国矿业大学电气与动力工程学院的能源与动力工程专业为背景，通过教学和科研项目两方面，对传热传质领域拔尖创新人才培养机制进行研究。具体实施方案如下：
2.1 教学
①传热传质领域的主干课程《传热学》教案的重新编排、课件PPT的制作。引导学生参与到其中，锻炼学生的查阅和追踪最新文献的能力和制作PPT的能力。②让学生参与到教改项目中。对传统的教学方法进行改革，让学生参与到其中，这样就能真真实实地从学生的角度来进行改革。③课题教学方式的灵活性。改善老师主动授课、学生被动学习的现状。增加课堂的分组讨论环节及学生授课环节，培养学生的团队合作能力和作科研汇报的能力。④课后作业形式的多样化。增加科研性质的题目，例如数值模拟和小实验之类的题目，锻炼学生的动手能力和创新能力。
2.2 科研
①提炼与传热传质有关的子项目，撰写项目指导书；②安排相关的实验项目，指导学生开展相关的的传热实验或流动与传热相关的数值模拟和计算，培养学生的动手和创新能力；③处理实验数据，作图，利用专业理论知识分析，锻炼学生利用专业知识来分析实际问题的能力；④通过撰写实验报告或外文科研论文的方式，锻炼学生的科研写作能力。
2.3 总结
①总结教学与科研的经验，以便进一步改进；②跟踪学生的成长轨迹，及时纠正一些不合时宜的做法。
3 结束语
本文基于中国矿业大学电气与动力工程学院能源与动力工程专业本科生的培养模式，对传热传质领域拔尖创新人才培养机制进行了研究，这将对高校其它领域建立拔尖创新人才的培养机制提供一定的借鉴和参考。
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关键词：建筑节能；玻璃幕墙；传热系数；有限单元法；稳态热传导
中图分类号：TU111.19 文献标志码：A
文章编号：16744764（2013）02006607
玻璃幕墙因其美观、大方、通透性好等特点在高层建筑中被大面积使用。北京、上海等地建成或在建的高层建筑中，有多座采用了玻璃幕墙作为护结构，如CCTV央视大楼、上海金茂大厦、上海中心大厦等。随着社会经济的发展，建筑能耗在中国社会总能耗中所占比例越来越大，预计到2020年将会达到35%[1]，建筑节能变得至关重要。玻璃幕墙作为建筑的护结构，是建筑物热交换、热传导最活跃的部位，也是建筑节能的薄弱环节[2]，其热工性能尤其是传热系数的大小直接影响建筑能耗。
雷 克，等：玻璃幕墙传热系数计算方法及工程应用
玻璃幕墙构造复杂，所以其内部传热过程十分复杂。在中国，一般通过实验室测试或现场检测获得传热系数[3]。然而由于环境、人为因素等扰量过多，故一般较难获取准确的数据。数值模拟计算热传导具有不受时间、地点和环境的限制，且花费很小等优点，因此，采用数值计算的方法来准确分析和计算玻璃幕墙传热系数变的十分必要。欧盟、美国等针对玻璃幕墙传热系数计算的研究已经发展了数十年[49]，并形成了相对健全的计算标准体系和计算软件，如美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）开发的THERM和WINDOW系列软件。目前其他国家关于玻璃幕墙热工性能计算标准体系主要有2个标准体系，ISO（EN）标准体系和美国NFRC标准体系[10]。ISO（EN）标准体系是包含了玻璃系统光学热工、框热工性能、门窗幕墙热工计算等方法的标准体系，其中ISO 10599[11]是其体系中的一部分。美国的NFRC标准体系依据ISO和美国相关标准编制了相应的门窗热工标准体系，包括NFRC100[12]和NFRC200[13]等计算标准。中国在参考国外相关标准的基础上，颁布了《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》（JGJ/T 151-2008）[14]，包括门窗、幕墙热工性能计算，玻璃光学计算和结露性能评价等，并规定了在幕墙传热系数计算时，首先应计算玻璃系统、幕墙框的传热系数和玻璃镶嵌部位的线传热系数，然后按照各部分面积加权平均的方法计算出玻璃幕墙整体传热系数。
本文在研究玻璃幕墙热传导理论的基础上，分别建立了玻璃系统和幕墙框、线传热系数计算模型。利用Visual C++和ObjectARX对AutoCAD进行了二次开发，研发了适用于中国规程的玻璃幕墙传热系数计算软件TJCW。研究结果表明：建立的传热系数计算模型能够正确的计算玻璃幕墙传热系数，基于该计算模型开发出的软件能够应用于实际工程的节能分析和计算中。
1 玻璃系统传热系数计算模型
以一维热传导理论为基础建立玻璃系统热系数的计算模型，并基于以下几点假设：
1）固体材料的热属性不随温度变化而变化。
2）忽略室内外环境的空气渗漏。
3）忽略空腔中气体辐射的影响。
中空玻璃是目前在玻璃幕墙中应用比较广泛的玻璃系统，以双层中空玻璃为例，建立玻璃系统传热系数计算模型。双层中空玻璃由与室内接触的玻璃板1、空气间层和与室外接触的玻璃板2组成，如图1所示。其热能的传递过程可以分为以下5部分，分别对该5个过程建立热能方程，如式（1）～（5）所示。
当传热过程处于稳态时，根据能量守恒定律，上述5个部分的热流量必相等。由于各表面的温度值未知，计算时首先根据“温差等分”原则假设各表面的温度值，然后计算出5个传热过程的热流量，再用热流量的平均值反算出各个界面的温度值。通过多次迭代计算，直到结果收敛，便可求得各个表面的温度值和热流量，从而求出玻璃系统的传热系数。
2 幕墙框、线传热系数计算模型
2.1 热传导方程及单元热传导矩阵
幕墙框由型材、空腔和隔热胶条等材料构成。由于幕墙框截面形状及内部变温条件的复杂性，依靠传统的解析法很难获得传热系数精确解。因此，以二维稳态热传导理论和有限单元法为基础建立其传热系数计算模型，同时基于与玻璃系统传热系数计算模型相同的3点假设。
2.2 对流传热、热流密度边界
当幕墙框表面与环境进行对流传热时，传热系数为h，流体温度为Tf。对单元热传导矩阵和温度载荷列阵修正如式（10）和（11）所示，其中lij、ljk、lki分别表示三角形单元的各边长。
2.3 辐射传热边界
计算辐射传热时，所研究对象必须是包含所有参与辐射传热的表面在内的一个封闭腔[16]。封闭腔是由多个灰体表面组成的封闭系统。最简单的封闭腔就是两块无限接近的平行平板。当幕墙框表面与外界环境直接进行辐射传热，不考虑框表面自身辐射影响时，可看作2块无限接近的平行平板间的辐射传热，则辐射热流密度q为：
当幕墙框表面自身材料进行辐射传热或空腔内部辐射传热时，应看做由多个表面组成的封闭腔的辐射传热，需把由该表面向空间各个表面发出的辐射能与空间各个表面投入到该表面的辐射能包括进去[16]。假设封闭腔内有N个表面，各表面平均温度值分别为T1T2…TN，发射率分别为ε1ε2…εN，则各表面的有效辐射组成列阵J、黑体辐射列阵Q和有效辐射角系数矩阵[F]分别如式（14）～（16）所示。
式（16）中Fi，j为表面i对表面j的辐射角系数，计算时首先采用“隐藏线”算法确定两个表面是否“可见”，然后根据“交叉线”算法[16]求得辐射角系数。求解方程组[F][J]=[Q]，得到各表面的有效辐射J。各表面的净辐射的热流密度列阵为q，计算公式如式（17）。
q=ε11-ε1（σT41-J1）ε21-ε2（σT42-J2）…εN1-εN（σT4N-JN）T（17）
在计算辐射传热时，由于单元参与辐射换热边的平均温度未知，需要首先进行假设，然后更新节点温度，不断迭代直到收敛。为便于结果收敛，本文计算时将T4进行泰勒展开并取展开式的前两项，在迭代过程中采用二分法加快收敛。辐射传热边界对K，对P的修正如式（12）所示。
2.4 对流、热流密度和辐射边界条件耦合
幕墙框表面与环境通过对流、热流密度及辐射等方式进行热传递。各种条件共同作用时，对K修正同式（10），对P修正分别如式（18）、（19）和（20）所示，其中h为对流换热系数，Tf为流体温度，q为热流密度，qr为辐射热流密度，lij、ljk、lki分别表示三角形单元的各边长。
3 复杂截面玻璃幕墙热传导计算的软件研发
3.1 软件开发
基于上文建立的玻璃幕墙传热系数计算模型，以AutoCAD为开发平台，运用ObjectARX和Visual C++等开发工具，研发了适用于中国规程[14]的玻璃幕墙传热系数计算的软件TJCW。建模方面可以很好的继承AutoCAD的强大功能，能直接选择材料填充“回”形区域。计算方面可实现各种环境边界条件下的玻璃系统传热系数计算，复杂截面玻璃幕墙温度场和传热系数计算等功能，后处理可实现绘制模型等温线、温度云图和热流矢量图等功能。图2为软件有限元程序计算流程图及软件主界面。
3.2 软件对比验证
图3为某玻璃幕墙截面尺寸图，单位为mm。模型中材料包括铝合金、浮法玻璃、聚氨酯密封胶、聚酰胺尼龙66%+25%玻璃纤维和硅酮结构胶，封闭空腔中所填充的气体为空气。材料的导热系数和表面发射率如表1所示。
计算边界条件分为室内、室外和绝缘边界，其中上、下表面分别定义为室内和室外边界，两侧为绝缘边界。由于环境条件对温度场和传热系数影响较大，设置3种工况，每种工况的边界条件如表2所示。分别计算每种工况下截面最大温度值和最小温度值，以及截面和玻璃系统的传热系数，并与LBNL开发的THERM和WINDOW系列软件计算结果进行对比，对比结果如表3所示。从表3中的数据可知，计算结果与LBNL系列软件计算结果相差在2%以内，表明开发出的软件较为合理。
4 工程实例分析
采用所编制的软件对上海某公共建筑玻璃幕墙进行节能验算。该工程一楼大厅一侧采用单元式玻璃幕墙，该侧窗墙面积比为0.25。每个分格宽1 200 mm，高1 000 mm，幕墙整体尺寸如图4所示。框型材为铝合金构造，立柱和横梁截面尺寸如图5所示。玻璃系统采用（6+12A+6）mm的LowE中空玻璃，室外为LowE玻璃，室内为普通透明玻璃。计算边界条件为规程[14]中规定的冬季标准计算条件，室内空气温度和平均辐射温度均为20℃，室外空气温度和平均辐射温度均为-20℃。室内和室外对流换热系数分别为3.6、16 W/（m2・K），太阳辐射照度为300 W/m2。
按照图5所示横梁和立柱尺寸图，建立计算模型，并填充材料。将立柱节点上表面设为室内边界，下表面设为室外边界。将横梁节点左表面设为室内边界，右表面设为室外边界，两侧设为绝缘边界。采用三角形单元对其进行网格划分，立柱和横梁截面分别有6 579个和4 864个单元，立柱节点网格划分如图6所示。分别计算立柱节点和横梁节点的温度场分布，框传热系数和附加线传热系数以及玻璃系统的传热系数，计算结果如下。立柱节点温度场云图如图7所示。
立柱节点截面最高温度：10.99℃ ；立柱节点截面最低温度：1.81℃
横梁节点见面最低温度：11.92℃ ；横梁节点截面最高温度：-0.81℃
立柱节点传热系数：Uf=8.40 W/（m2・K）；横梁节点传热系数：Uf=7.92 W/（m2・K）
立柱节点：ψ=0.567 W/（m2・K）；横梁节点：ψ=0.071 W/（m2・K）
玻璃系统的传热系数：Ug=1.896 W/（m2・K）
由各部分传热系数计算结果可得，幕墙框传热系数比玻璃系统大，可见若要降低单幅玻璃幕墙传热系数，不但要采用节能性能好的玻璃系统，同时也应该提高幕墙框的保温隔热性能，降低其传热系数。由立柱截面温度场云图可知，在幕墙框空腔内部以及与玻璃系统接触的部位，温度梯度变化不大。玻璃系统内部温度梯度变化较大。
按各部分面积加权平均的方法计算整幅幕墙的传热系数为3.50，如式（19）所示。
5 结 论
在研究玻璃幕墙热传递特点的基础上，基于稳态热传导理论和有限单元法，建立了玻璃幕墙传热系数的计算模型，研发了计算软件，并采用所编制软件对某工程实例中玻璃幕墙传热系数进行了节能验算，得出如下主要结论：
1）基于一维稳态热传导理论，建立了玻璃系统传热系数计算模型；基于二维稳态热传导理论和有限单元法，建立了各种边界条件下玻璃幕墙框及附加线传热系数计算模型。经算例对比验证，计算结果与LBNL研发的热工软件计算结果基本一致，证明了所建立的计算模型具有一定的正确性。
2）利用Visual C++和ObjectARX对AutoCAD进行了二次开发，研发了玻璃幕墙传热系数计算软件TJCW，可以应用在实际工程节能分析和计算中。
3）相比其他国家热工软件，所编软件适应于中国规范，同时良好地继承了AutoCAD的强大功能，可直接选择材料填充模型区域，不需描绘底图，大大缩减了建模时间，为玻璃幕墙节能分析计算提供了方便快捷的工具，并将促进建筑节能事业的发展。
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