密闭空间的风扇能降温吗？

本文摘要（由AI生成）：

文章主要讨论了密闭空间里的风扇是否能降温的问题。首先，文章指出密闭空间与外界没有能量交换时，风扇吹风会使得密闭空间温度升高。其次，密闭空间与外界有能量交换时，密闭空间的温度最终会升高，且伴有暂态过程。最后，文章通过仿真模型验证了密闭空间里存在发热物体时，放入一个转动的风扇，在经过一段时间后，发热物体的温度会比不加风扇更低。

——今个的天气真热啊，像火炉一样。

——一直吹风扇呗，还能热死不成？

这是以前夏天的时候常有的对话。现在CAE从业者想把吹风扇这个问题当作一个科学问题去深究一下：密闭空间里的风扇能降温吗？

密闭空间，指的是一个局部的空间，这个空间占有一定的体积，与空间以外的外界没有物质的交换，具有封闭的属性。但是密闭空间这个词并没有涉及能量，所以讨论密闭空间的能量问题时，要分情况去讨论。

第一种情况：密闭空间与外界没有能量交换，比如一个密室，内部墙壁喷涂满了绝热的聚氨酯，整个密室是一个热量的绝缘体。在这种情况下，里面有一个风扇在不停地扇风，那么里面的温度会上升还是下降？下面CAE从业者来剖析一下这个问题。

首先，CAE从业者要说，这个问题其实是问得不严谨的，即然要把这个问题当作一个科学问题来深究，那就要所有要素都要严谨，要定性定量。为什么说不严谨呢？因为没有说清楚这个密闭空间自身的温度情况，温度也是一个场变量，是具有分布属性的，要问密闭空间的温度会上升还是下降，必须说明温度的初始场分布，就和求解微分方程必须给定初值一样的道理。

1、密闭空间，如果经过了很长的时间了，里面的温度场分布已经达到均态了，那么这是一种分布；

2、另一种是密闭空间的温度场仍然有梯度，还没有到达均态，那么这是另外一种分布。

如果是第一种分布，初中物理就告诉过我们，风扇吹风时和空气摩擦，会有风摩损耗的存在，风摩损耗最终转化成热量使得密闭空间的温度升高；如果是第二种分布，那么当风扇吹风时，密闭空间的温度梯度会加速消散，在初始的一定时间内，这个温度场分布会发生变化，高温区域会把热量对流给低温区域，也就是说，密闭空间内部区域的温度会有升有降，关键看你把温度传感器放在哪里去测，但是随着时间的推移，这个密闭空间的温度总会因为风摩损耗而升高，初始的一定时间内发生的事情我们可以称为“瞬态”或“暂态”。

这里面还有一种特殊的情形，那就是如果密闭空间里的传感器是“人”，因为人的皮肤是一个巨大的传感器。在高温的隔热密闭空间里，风扇吹出来的风当然是热风。至于人在风扇前感觉是凉风还是热风，这是另外一回事，如果密闭高温的温度低于人体体表温度，人会感觉吹的风是凉风；如果密闭高温的温度高于人体体表温度，人会感觉吹的风是热风。如果人皮肤上有汗或者水，即使密闭高温的温度高于体表温度，那么在风扇吹热风使得汗或水蒸发时，人体可能也会感觉吹的风是凉风，因为这个时候水蒸发带走的热量会多于热风对流给皮肤的热量，从而使得皮肤感觉风是凉的。那么到这第一种情况就剖析结束了。

第二种情况，密闭空间于外界有能量交换。这种情况其实在现实种也很常见，比如一个密闭的玻璃房子，一个密闭的汽车。对于有能量交换的密闭空间，其实剖析的思想和第一种情况类似，只不过更加复杂一些。如果密闭空间吸收的热量多于散发的热量，那么密闭空间的温度最终会升高，且伴有暂态过程；反之类推。比如一个密闭的汽车，夏天在阳光下曝晒，里面的温度会急剧升高到七八十度。一个密闭的瓶子里装有一个气球在放入液氮后不一会儿气球就瘪了。这些现象都是密闭空间和外界热量交换的结果。

对于第二种情况，有一个种比较有意思的问题，就是密闭空间里存在发热物体，那么如果在这个密闭空间里放入一个转动的风扇，在经过一段时间后，发热物体的温度会比不加风扇更低吗?针对这个问题，CAE从业者采用XFlow作为求解器，建立了一个类似永磁电机端部的模型，因为永磁电机端部存在一个近似的密闭空间，这里为了简化问题，做成完全的密闭空间，绕组端部作为内部的发热源，并在密闭空间里面对绕组端部建立了实际的风扇模型，用实际的仿真数据去求证上述问题的答案。

 下图是仿真所用的模型，包括绕组端部、简化定子、外壳，内部形成了一个密闭空间，绕组端部和定子均为发热源。

在经过一定时间后，绕组会达到比较高的温度，内部空气的温度也会升高。下面给出一定时间后带风扇和不带风扇的结果对比。

从XFlow的仿真对比结果可以看出，在一定时间后，带风扇确实比不带风扇的绕组温度低了一点，这是因为风扇转动加速了空气对流同时加速了热量的均衡化，而且风扇本身也有一定的热容。但仿真模型并未考虑风摩损耗和机械损耗，所以这个仿真的温度差实际上会更小一些。

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