温度场分析中的几个基本概念
温度场分析中的几个基本概念
温度场分析是固体力学和热力学的交叉领域，在工程领域中起着重要作用。工程师们使用温度场分析技术来预测材料的热稳定性和热膨胀系数，这些信息对于设计产品的性能和寿命具有关键意义。例如，在电子器件制造业中，温度场分析可以被应用于评估电子器件的散热效率，从而确保其工作在安全的温度范围内。此外，在汽车工程中，温度场分析可以用于分析发动机的工作温度，以便优化冷却系统的设计。
在进行温度场分析时，不仅要学会分析软件的操作步骤，更重要的是要理解相关的物理概念和内涵，这样才能确保软件中各种设置的正确性和结果的合理性。
在温度场分析中，首先要理解的就是热量的传递方式。
热量的传递有导热、对流换热及辐射换热三种方式。如下图所示，在火堆上加热瓢中的水，火苗对瓢底的加热主要以辐射为主，瓢里面的水与瓢之间的热交换主要以对流为主，瓢的热量传递给手主要以导热为主。
导热
热传导实质是由物质中大量的分子热运动互相撞击，而使能量从物体的高温部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体的过程。在固体中，热传导的微观过程是：在温度高的部分，晶体中结点上的微粒振动动能较大。在低温部分，微粒振动动能较小。因微粒的振动互相作用，所以在晶体内部热能由动能大的部分向动能小的部分传导。固体中热的传导，就是能量的迁移。
导热过程中传递的热量按照傅里叶（Fourier）导热定律计算：
材料的导热系数K，单位为W/(m•℃），表示了该材料导热能力的大小。
现在工程计算上用的系数值都是由专门试验测定出来的。不同物质导热系数各不相同；相同物质的导热系数与其的结构、密度、湿度、温度、压力等因素有关。同一物质的含水率低、温度较低时，导热系数较小。一般来说，固体的热导率比液体的大，而液体的又要比气体的大。这种差异很大程度上是由于这两种状态分子间距不同所导致的。例如常温下纯铜的导热系数高达400W/(m•℃），纯铝的导热系数为236W/(m•℃），水的导热系数为0.6W/(m•℃），而空气仅0.025W/(m•℃）左右。常见材料的导热系数如下表所示（仅供参考）。
对流换热
对流换热是指运动着的流体流经温度与之不同的固体表面时与固体表面之间发生的热量交换过程。根据流动的起因不同，对流换热可以分为强制对流换热和自然对流换热两类。前者是由于泵、风机或其他外部动力源所造成的，而后者通常是由于流体自身温度场的不均匀性造成不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。
对流换热的热量按照牛顿（Newton）冷却定律计算：
根据换热形式的不同，流体各部分因温度引起的密度差所形成的运动称为自然对流;由风机、泵等所驱动的流体运动称为受迫对流;受迫对流根据边界层形成和发展情况的不同，又可以分成内部流动和外掠流动两种。
对流换热的特点
1）导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；
2）必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动;也必须有温差；
3）影响对流传热强弱的主要因素有:
4）对流运动成因和流动状态;
5）流体的物理性质(随种类、温度和压力而变化);
6）传热表面的形状、尺寸和相对位置;
7）流体有无相变(如气态与液态之间的转化)。
对流换热系数的大致量级(单位:W/(m2*K))
空气自然对流：5~25
气体强制对流：20~300
水的自然对流：200~1000
水的强制对流：1000~15000
油类的强制对流：50~1500
水蒸气的冷凝：5000~15000
有机蒸汽的冷凝：500~2000
水的沸腾：2500~25000
热辐射
辐射是通过电磁波来传递能量的过程，热辐射是由于物体的温度高于绝对零度时发出电磁波的过程，两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。物体的辐射计算公式为：
ε是表面的黑度或发射率，该值取决于物质种类，表面温度和表面状况，与外界条件无关，也与颜色无关。磨光的铝表面的黑度为0.04,氧化的铝表面的黑度为0.3，油漆表面的黑度达到0.8，雪的黑度为0.8。
热辐射的特点
1）任何物体，只要温度高于0 K ，就会不停地向周围空间发出热辐射;
2）可以在真空和空气中传播;
3）伴随能量形式的转变;
4）具有强烈的方向性;
5）辐射能与温度和波长均有关;
6）发射辐射取决于温度的4次方。
热阻
对导热和对流换热的公式进行变换：
Fourier导热公式：
Q=KA∆t/L=∆t/(L/KA)
Newton对流换热公式：
Q=hcA∆t=∆t/(1/hcA)
热量传递过程中，温度差是过程的动力，就像电学中的电压，换热量是被传递的量，好像电学中的电流，因而上式中的分母可以用电学中的电阻概念来理解成导热过程的阻力，称为热阻(thermal resistance），单位为℃/W, 其物理意义就是传递1W的热量需要多少度温差。在热设计中将热阻标记为R或θ。L/KA是导热热阻，1/hcA是对流换热热阻。
接触热阻
复合系统中，在不同材料的交界面上，普遍认为接触面两侧保持同一温度，即假定两层壁面之间保持了良好的接触。然而，实际上，两个表面上的温度是不相同的，也就是说存在着温度降，这个温度降是因为存在着接触热阻。
两个名义上相接触的固体表面，实际上接触仅发生在一些离散的面积元上，如图所示，在未接触的界面之间的间隙中常充满了空气，热量将以导热和辐射的方式穿过该间隙层，与理想中真正完全接触相比，这种间隙会给两个接触面之间附加一个热传递阻力，即接触热阻。
降低接触热阻的方法主要是增加接触压力和增加界面材料（如硅脂）填充界面间的空气。在涉及热传导时，一定不能忽视接触热阻的影响，需要根据应用情况选择合适的导热界面材料，如导热脂、导热膜、导热垫等。
完
