浅谈热力学对流系数与接触热阻

摘 要：热流从一个面流入则会从另一个面穿出，净流体积的热量等于从一些面元流入面的减去从其它面元流出面的热量.这里符号规则规定热流流出为正，单位时间内流入小体积元内的总热量和波动方程比较，这三类边界条件虽然是从不同的物理模型中归结出来的，具有不同的物理意义，但它们的数学形式却是相同的，由此说明提出这三类边界条件的普遍意义。

关键词：热力 对流系数 接触热阻

一、引言

在实际应用中，散热片可以具有不同的横截面面积并且可以连接到圆形表面上。在不同的横截面区域必须要推导一个变量，其基本的解决方案是运用微分方程和数学技术，然而采用微分方程和数学技术会变得更加繁琐，推导出更复杂的情况从而不利于得出结果。热导率的物理意义为：当相距单位长度的两个平行平面间的温度相差一个单位时，在单位时间内通过单位面积所传导的热量。对流传热系数是在对流传热条件下，单位时间内经对流方式从表面S传出的热量与温度差T1-T2和表面积S的比例。

若要测量良导体样品，则样品需做成截面积比较小而传热方向上的长度较大的细长形状。因为良导体的导热性能好，样品只有做的比较长才能在其两端产生比较明显、易于测量的温差，而做的比较细是为了尽可能减小侧面散热的影响。需要热电偶的冷端保持温度恒定，实验中采用冰水混合物来保证热电偶的冷端保持0℃；需要尽可能减小样品侧面散热的影响，因此将样品做成薄圆盘状；需要样品的上、下表面各自温度均匀且易于测量，实验中加热盘和散热盘均为金属盘且各自与样品的上、下表面分别密切接触；需要易于散热，实验中采用风扇对散热盘吹风来保证，等等。理论上对环境温度是先测量还是后测量都是一样的，但是从实际情况分析还是后测量比较准确，这是从减小实验误差的角度考虑的。实验进行前，由于还没有进行实验，实验过程中的散热也没有影响，因而实验前的环境温度与实验后相比必然有一定程度的偏低。而实验中对散热过程的测量是在实验靠后的步骤进行的，此时实验过程中的散热必然已经使环境温度有一定程度的变化，因此最后测量环境温度，测得的结果更接近散热过程测量所需的环境温度。因此，对环境温度的测量放在了实验的最后一步进行。

二、关于对流系数的警示性说明

流体与固体表面之间的换热能力，比如说，物体表面与附近空气温差1℃，单位时间单位面积上通过对流与附近空气交换的热量。表面对流换热系数的数值与换热过程中流体的物理性质、换热表面的形状、部位、表面与流体之间的温差以及流体的流速等都有密切关系。物体表面附近的流体的流速愈大，其表面对流换热系数也愈大。如人处在风速较大的环境中，由于皮肤表面的对流换热系数较大，其散热（或吸热）量也较大。对流换热系数可用经验公式计算，通常用巴兹公式计算。

我们已经注意到对流系数可以与流体的类型有所不同，流速梯度为不同的几何形状。正如我们将在经验关系见到的经常有流速的不确定性。对流换热系数是求解伴有表面对流换热的热传导问题的重要参数之一。直接测定对流换热系数的方法分为稳态法与瞬态法。稳态法对实验条件要求苛刻，实验周期长，误差大。对流换热系数与流体的物理性质、流动状态和速度、固体壁面物理性质、形状位置都有关，比如同样的流体在紊流和层流时换热系数就不一样，所以不同情况下对流换热系数是不一样的，书上的一些换热系数是通过实验方法得到的一些大致范围，自己随意输入一个换热系数是不科学的，应该内置计算公式来根据具体情况去自动求解流体与壁面间的换热。瞬态法由于实验周期短，误差小，近年来被广泛运用于对流换热系数测量实验，通常所说的瞬态法是通过瞬时提高来流温度或者壁面温度来达到温度阶跃，测量窄幅热色液晶显色时间，通过求解一维半无限大平板非稳态导热方程得到测量表面的对流换热系数。实验中要达到温度的阶跃通常不容易实现，只能是近似阶跃，需要进行逐级阶跃或者指数函数进行修正。这种处理方式可以近似解决入口温度非阶跃响应问题。

三、接触热阻

当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出 明显的热阻，称为接触热阻。产生接触热阻的主要原因是，任何外 表上看来接触良好的两物体，直接接触的实际面积只是交界面的一部分，其余部分都是缝隙。热量通过充满空隙的流体的导热、对流和辐射的方式传递，而它们的传热能力远不及一般的固体材料。接触热阻使热流流过交界面时，沿热流方向温度发生突然下降， 这是工程应用中需要尽量避免的现象。

不同的材料具有不同的热导率，需要设置的情况是求解区域和设备壳体外表面重合时，也就是求解区域刚好包住设备壳体时，才需要设置壳体外表面与周围环境的换热系数，当求解区域远大于设备壳体外形时，不需要设置。对流换热系数计算起来是很复杂的，它和很多因素有关系，和接触面的粗糙度、形状、大小、布置方式有关系，和流体的导热系数、密度、比热容、黏度有关系， 还和流体的流速有密切联系。所以这就导致对流换热系数计算起来极其复杂，有些情况下准确的计算对流换热系数甚至是不可能的。不过对于不同的情况会有一些经验公式，如果有兴趣的话可以去看看传热学。对于自然对流情况下，空气的对流换热系数在1～10之间，水则在200～1000之间；强制对流情况下，空气的对流换热系数在20～100之间，水则在1000～15000之间。

参考文献

[1] 苏汝锵 《统计物理学》 高等教育出版社

[2] 赵凯华，罗蔚茵 《热学》 高等教育出版社

[3] 杨玉顺 《工程热力学》 机械工业出版社