在這個《CFD基礎課程系列》里，針對剛剛開始，或者將要開始進行熱流體仿真的工程師，我們盡量通過通俗易懂的語言和直觀的現象來闡述CFD的概念。在系列(3.2),我們介紹了流體的一些主要性質，比如，壓縮性/非壓縮性，定常/非定常的概念，以及重要的伯努利定理。 在系列(3.3),我們介紹了層流和湍流的概念。第四章我們介紹熱的基礎概念。

                                                                      第四章 熱的基礎概念

在第四章，作為熱的基礎，我們討論溫度與熱，浮力的關系，自然對流和強制對流，熱的傳遞形式（包括熱傳導，熱對流，熱輻射）4個課題。本章所有的單位都采用SI單位制。

4.1 熱與溫度

溫度是用來表現溫暖和寒冷程度的數值，單位是 [℃] 或者 [K] 。

用單位 [℃]來表示的溫度是攝氏溫度， [K] 來表示的溫度被稱為絕對溫度。兩者1度的溫差是一樣的，各自的基準溫度不同，兩者的關系如下式

比如，0℃ 等于273.15 K。

物質持有內部能量，用溫度表現出來。熱是內能的形態之一。當熱流入物質之后溫度會相應的上升，相反熱流出會導致溫度下降。熱量用 [J] 的單位表示，單位時間流入/流出的熱量單位用[W] （= [J/s]）來表示。 

比如，我們考慮冬天的房屋。如圖4.1所示，打開加熱器的話，室內溫度就會上升。這是因為從加熱器里出來的熱傳到了房間里的空氣，空氣的溫度由此上升。

圖4.1 打開加熱器后的熱移動 

但是，如圖4.2所示，如果關閉加熱器的話，室內的溫度就會下降。這是因為室內的空氣帶著熱傳到室外，房間的空氣溫度就下降了。

圖4.2 加熱器關閉后的熱移動

熱有從溫度高的地方向溫度低的地方傳遞的性質，兩個有溫度差的物體相互接觸的話兩者的溫度會逐漸等同。

4.2 浮力

物質的溫度上升后，構成物質的分子（原子）開始活潑的運動，導致了許多物質伴隨溫度的上升體積增大，密度減小。

氣體被加溫之后，由于密度差產生與重力相反方向的力。這個力被稱為浮力。圖4.3的熱氣球是利用浮力的典型例子。

圖4.3 氣球上升的原理

另外，對壓縮性流體，浮力可以被嚴密地描述和計算。而對非壓縮性流體，不能精確考慮體積的變化，因此采用浮力與溫度差的比例關系來近似表達。這個近似被稱為布辛涅司克近似。但是，需要注意的是，在溫度差很大的場合，這個近似的誤差會變大。

4.3 自然對流和強制對流

流體的流動，根據其驅動方法，可分類為自然流動和強制流動兩種。

自然對流中不存在風扇或者泵的驅動因素，是由于流體的溫度差引起浮力驅動的流動。而強制流動是指由風扇，泵等外部因素驅動的流動。

比如，如圖4.4所示，注水容器經過一段時間的加熱后，底部的熱水由于浮力的作用開始從底部向上流動（a），這是自然對流。而如（b）所示，容器的水是在被棍棒攪拌的情況下（在外部因素的驅動下）流動的，所以是強制對流。

圖4.4 自然對流和強制對流 

一般對強制對流來說，由于風扇等的驅動，流體的慣性力比浮力的影響要大得多。在很多場合，浮力的影響可以忽略。而在自然對流和強制對流同時存在的場合，不能忽略浮力的作用，在計算中必須考慮浮力的影響。

4.4 熱的傳遞形態

有3種熱的傳遞形態：熱傳導，熱對流和輻射。如圖4.5所示房間的熱加溫，感覺地板下地熱的溫暖是熱傳導，從制熱空調的暖風感覺到的溫暖是熱對流，從身邊的電爐/火爐感覺到溫暖是輻射。以下對熱傳導，熱對流和輻射再做一些詳細說明。

圖4.5 熱的傳遞形態

4.4.1 熱傳導

物體內的溫度不均一時，由于構成物質的原子或者分子（金屬的話還包含自由電子）的運動，產生由高溫領域向低溫領域的熱傳遞（傳遞）。這種熱的傳遞形態稱為熱傳遞。

比如，如圖4.6所示，手拿灌滿熱茶的鐵罐時會感覺到燙，這是因為鐵罐里的茶和拿鐵罐的手之間存在溫度差，通過鐵罐，產生了熱傳導。

圖4.6 由熱傳導引起的熱傳遞

溫度差相同時，物質的熱傳導率越大由熱傳導傳遞的熱量就越多。

并且，熱傳導是物質不伴隨移動時發生的熱移動現象，不僅固體，氣體/液體等流體也可以發生。

4.4.2 熱對流

熱傳導時物質本身不移動發生熱的傳遞，流體流動時發生的熱傳送現象被稱為熱對流。熱對流比熱傳導能夠傳遞更多的熱。

比如，如圖4.7所示，注水的容器加熱時，加熱的容器與水接觸面附近熱是通過熱傳導來傳遞的。然后被加熱的水由于浮力上升產生對流，熱是通過流動被運送的。

圖4.7 熱對流引起的熱傳遞

固體表面與流體之間的熱對流傳遞量是由對流換熱數來表現的。對流換熱系數隨流體種類，流動狀態，物體形狀的不同而變化，它的值越大被傳遞的熱就越多。

一般來說，流體的熱傳導率越大對流換熱系數就越大。因此，氣體相較與液體，液體的對流換熱系數更大。

比如，可以走進100 ℃的桑拿房，但絕對進不了100 ℃的浴池。這是因為水的對流換熱系數比空氣要大得多，更容易傳遞熱，在水里更容易感覺水的熱。

還有，傳熱面附近的流速越大對流換熱系數就越大。因此，自然對流和強制對流相比，強制對流的對流換熱系數會更大。這也是夏天把電風扇開的越大（風速越大）感覺越涼快的原因。

4.4.3 輻射

構成物質的分子和原子的運動內能的一部分會以電磁波的形式釋放出來。相反，當分子和電子吸收電磁波時，電磁波的能量會轉換成內能。這種通過電磁波傳熱的形態稱為輻射（或者放射）

熱傳導和熱對流都是需要通過物質來傳遞熱的。輻射與之不同，沒有物質的媒介也能傳遞熱。因此即便在宇宙等真空中熱也能傳遞。

如圖4.8所示，晴天下的道路和屋頂由于日照而處于高溫狀態。這是因為太陽放射的電磁波通過宇宙空間和大氣，直接輻射在道路和屋頂的緣故。

圖4.8 輻射的熱傳遞

物體由于輻射吸收或者釋放的能量的比例是用發射率這個參數來表現的。發射率是一個0 – 1之間的數值。 這個值越大，由輻射吸收或者釋放能量就越大。物質的表面材質和顏色不同發射率也不同。一般來說，黑色物體的發射率會高，白色物體或者表面光滑的金屬表面的發射率會低。

另外，還有一個重要的參數叫角系數。這是一個由兩個傳熱面的幾何形狀和相對位置決定的0 – 1之間的參數。角系數表示一個面放射出的能量傳到另一個面的比例。換一種更簡單的解釋，角系數表示了產生輻射的一面能看到多少另一方的面積。比如，相互能完整的看到的話，角系數為1，完全看不到對方時為零。

如圖4.9所示，面1能看到任何部位的面2，角系數為1。相反，面2不一定能看到面1，所以角系數會是一個未滿1的數值。因此，請注意，兩個面的位置關系和角系數不一定是等同的。

図4.9　形態係數の例

兩個面的輻射率越高，角系數越大，由輻射引起的熱傳導量就會越大。

在第五章，我們將介紹熱流體仿真的基本思想方法和實用仿真流程。內容比較多，我們將分3次發布。