01 / 导读
导读
引用
Lienhard, J. H., V, & Lienhard, J. H., IV. (2024). A Heat Transfer Textbook (6th ed., Version 6.00). Phlogiston Press. Free official edition: https://ahtt.mit.edu/
章节概要
第1章：引言
第一部分“热交换的一般问题”以本章开篇。本章定义传热，把它与热力学第一定律和第二定律（包括热流引起的熵产）联系起来，并介绍三种传热方式：遵循傅里叶定律的导热、通过牛顿冷却定律和传热系数描述的对流，以及遵循斯特藩—玻尔兹曼定律、维恩定律和普朗克定律的辐射。本章最后展望全书反复出现的三项任务——求解导热方程、求 h、求辐射角系数——并说明章末习题的用意。
第2章：导热概念、热阻与总传热系数
本章推导导热方程，给出求解平板、圆柱和球体中一维稳态问题的分步方法，并发展傅里叶定律、菲克定律与欧姆定律之间的电学类比。热阻网络、接触热阻、临界绝热半径以及总传热系数 U（包括污垢热阻）都配以大量例题加以介绍，章末的简短小结列出了本章确立的内容。
第3章：换热器设计
本章利用第一定律和 U 推导两股流体之间如何换热。它介绍主要的换热器形式（顺流与逆流、管壳式、交叉流），推导对数平均温差及其修正系数，引入在出口温度未知时使用的效能—传热单元数（ε-NTU）法，并讨论换热器的校核计算与设计计算之间的区别。前言把第1–3章合称为传热学的“迷你课程”。
第4章：导热分析、量纲分析与肋片设计
第二部分“导热分析”从说明什么是适定的导热问题以及如何求通解开始，其中包括一个用分离变量法求解的二维稳态问题。作者随后介绍他们自己简化的量纲分析方法（“函数替换法”与 π 定理），并在此后各章中一以贯之，还把它应用于一个复杂的稳态导热问题。本章以肋片设计收尾，从肋片方程和肋片效率讲到自然界中的肋片实例，例如剑龙背上的骨板。
第5章：非稳态与多维导热
本章以詹姆斯·瓦特改进纽科门蒸汽机为例，说明非稳态加热造成的浪费，然后讨论集总热容冷却与毕渥数、平板的级数解、温度响应图和单项近似解，以及向半无限区域的导热（以日本刀锻造为例）。最后几节介绍稳态多维导热（包括形状因子和热流线图法）以及通过叠加一维解处理的非稳态多维导热。
第6章：层流与湍流边界层
第三部分“对流传热”是全书篇幅最大的部分。本章推导平板层流边界层的连续方程、动量方程和能量方程，说明普朗特数在联系速度边界层和温度边界层中的作用，并用积分法和相似解求得传热系数。本章介绍雷诺—柯尔伯恩类比，接着——这部分内容在本版中经过全面改写——讨论湍流边界层、湍流边界层中的传热，以及在计算总传热时如何处理转捩。
第7章：多种构型下的强制对流
本章转向内部流动：管内层流速度分布和温度分布的发展、充分发展流动的努塞尔数、湍流管流及其关联式，以及把受热管道视为换热器的思路。随后讨论借助水力直径处理的非圆形通道、绕圆柱和管束的横掠流动，最后就如何查找和评估超出解析范围的构型的经验关联式给出建议。
第8章：单相流体的自然对流与膜状凝结
由于浮力驱动的自然对流和重力驱动的膜状凝结在物理上相通，本章把二者的控制方程并列推导。随后讨论竖直等温平板上的层流自然对流（含量纲分析、实验数据和丘吉尔—朱关联式），圆柱、球体、水平平板和封闭空间中的自然对流，最后讨论平板和圆柱上的层流膜状凝结，包括努塞尔分析。
第9章：沸腾及其他相变构型中的传热
本章从 1934 年拔山四郎的实验和池沸腾曲线讲起，解释成核与核态沸腾、基于泰勒不稳定性的峰值（烧毁）热流密度的流体力学理论、膜态沸腾及其与膜状凝结的类比、最小热流密度和过渡沸腾。接着讨论表面和系统的影响、管内强制对流沸腾与凝结、珠状凝结以及热管。
第10章：辐射传热
第四部分就是这一独立章节，读完第2章后的任何时候都可以阅读。它在第1章辐射概念的基础上，讨论基尔霍夫定律以及发射率与吸收率的关系、有限黑体之间的角系数及其计算方法、漫射灰体之间换热的电网络法、通过吸收和发射性气体的辐射，以及太阳能，包括大气吸收的作用。
第11章：传质导论
第五部分在本版中经过大幅修订，介绍混合物组成与组分通量、二元混合物中的菲克定律、组分守恒方程以及静止介质中的扩散。本章针对低传质速率下的对流传质发展了传热与传质的类比，并将其应用于传热传质同时进行的过程（蒸发、湿球温度）。随后用库埃特流（滞止膜）模型处理高传质速率及其对传热的影响，接着介绍混合物输运性质的估算，最后是新增的多组分与非理想扩散一节。
核心概念
第1章：引言
- 傅里叶定律：热流密度与温度梯度的负值成正比，比例常数为导热系数。
- 传热系数 h：对流热流密度与表面和流体之间温差的比值。
- 黑体辐射：遵循普朗克定律的辐射，对其积分即得斯特藩—玻尔兹曼定律。
第2章：导热概念、热阻与总传热系数
- 导热方程：与傅里叶定律一起支配固体内温度的能量平衡方程。
- 热阻：电阻的类比量，使复合壁和对流表面可以按电路来处理。
- 总传热系数 U：把两种流体之间所有热阻合而为一的单一系数。
第3章：换热器设计
- 对数平均温差：适用于 U 为常数的换热器的平均温差。
- ε-NTU 法：在出口温度未知时预测换热器性能的方法。
- 校核与设计：预测既定换热器的性能，与为所需换热量选择换热器尺寸之间的区别。
第4章：导热分析、量纲分析与肋片设计
- 适定问题：具备获得唯一解所需的方程、边界条件和初始条件的导热问题。
- π 定理与函数替换法：作者把问题化为无量纲数的简洁方法。
- 肋片效率：肋片实际传热量与假设整个肋片都处于肋基温度时的传热量之比。
第5章：非稳态与多维导热
- 毕渥数与集总热容：当内部热阻远小于表面热阻时，物体以单一均匀温度冷却。
- 傅里叶数与单项解：无量纲时间，超过一定值后只需级数的第一项即可描述非稳态导热。
- 半无限大物体：热量向深层区域渗透的解，后来成为理解边界层的框架。
第6章：层流与湍流边界层
- 边界层：表面附近的薄层区域，速度和温度在其中从壁面值变化到主流值。
- 普朗特数：动量扩散率与热扩散率之比，决定两种边界层的相对厚度。
- 雷诺—柯尔伯恩类比：把壁面摩擦与传热联系起来的关系，可由其中一个估算另一个。
第7章：多种构型下的强制对流
- 充分发展流动：管内速度分布和无量纲温度分布沿流向不再变化的区域。
- 水力直径：使圆管结果能够在谨慎前提下推广到非圆形通道的特征长度。
- 经验关联式：基于数据的努塞尔数公式，但仍须满足理论极限。
第8章：单相流体的自然对流与膜状凝结
- 瑞利数与格拉晓夫数：衡量浮力相对于黏性扩散和热扩散大小的无量纲数。
- 膜状凝结：液体在冷表面上形成连续液膜的凝结方式，由努塞尔进行了分析。
第9章：沸腾及其他相变构型中的传热
- 池沸腾曲线：热流密度与壁面过热度之间的关系，包含核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾三个区域。
- 峰值热流密度：核态沸腾中的最大热流密度，可由流体力学（泰勒）不稳定性预测。
- 热管：依靠工质的蒸发和凝结传递热量的密闭装置。
第10章：辐射传热
- 基尔霍夫定律：在适当条件下，发射率等于吸收率。
- 角系数：离开一个表面的辐射中到达另一表面的份额。
- 灰体网络：描述漫射灰体表面之间辐射换热的电学类比。
第11章：传质导论
- 菲克定律：在二元混合物中，扩散质量通量与质量分数梯度成正比。
- 传热传质类比：在低传质速率下，传热关联式可以移用于传质。
- 滞止膜模型：用于考虑高传质速率的库埃特流模型。
评析
优点
- 结构清晰，内置“迷你课程”。 前言说明，第1–3章是以换热器设计收尾的自成体系的概览，之后才深入学习导热、对流和辐射。这让学生在花几章篇幅学习 h 和角系数之前，就明白它们为何重要。
- 物理解释与历史背景。 各章常以物理图景和历史片段开头——傅里叶、瓦特与纽科门蒸汽机、拔山的沸腾实验、理查森关于湍流的打油诗——正文不仅给出关联式，还详细解释边界层和各沸腾区域的行为。
- 实用的量纲分析方法。 作者的函数替换法（第4章）贯穿全书，为学生提供了适用于此后所有问题的统一工具。
- 大量目的明确的习题。 每章都有篇幅很长的习题（合计超过 500 道），方括号中给出部分答案；前言称解答手册现已收录 520 多道题的解答，网站上也链接了这些解答。第1章说明了习题如何旨在培养实际计算能力、物理洞察力和分析能力。
局限
- 没有数值方法章节。 第5章指出级数解法已大多被直接数值求解所取代，但本书并不讲授有限差分或有限元方法，只有个别习题要求数值求解。
- 先修要求确实存在。 前言假定读者具备大三、大四水平的热力学和流体力学，第6章和第11章用到偏微分方程和边界层分析，对基础较弱的学生要求较高。
- 内容多于一学期。 前言本身就说一学期课程必须舍去部分进阶内容；沸腾、气体辐射和多组分扩散通常超出第一门课程的范围。
- 基本只用国际单位制。 英制单位只出现在少数习题中，这适合大多数课程，但对于必须使用美国惯用单位的学生，练习机会有限。
书中的应用
应用贯穿全书：换热器的校核与设计（第3章）、换热管和生物体上的肋片（第4章）、以日本刀为例的淬火与锻造（第5章）、微机电系统和紧凑式换热器中的层流管流（第7章）、冷凝器（第8章）、锅炉、蒸发器、珠状凝结和热管（第9章）、太阳能和大气辐射（第10章），以及冷却塔、除湿器、燃烧器和蒸发（第11章）。附录 A 提供这些计算所需的物性数据。
在课程中的定位
在“传热传质”书单中，本书与 Nellis 和 Klein 的 Introduction to Engineering Heat Transfer 是入门性的选择，Çengel 与 Ghajar 的 Heat and Mass Transfer、Kreith 与 Manglik 的 Principles of Heat Transfer 以及 Bergman、Lavine、Incropera 和 DeWitt 的 Fundamentals of Heat and Mass Transfer 则是内容更完整的工程教材。根据介绍，这些都是覆盖面较广的本科教材；Lienhard 父子的这本书涵盖同样的核心主题（导热、对流、沸腾、辐射、传质），既可作为第一门课程的主教材，也可作为上述任何一本的免费配套读物。从第9章和第11章可以看出，它对沸腾和传质的讨论较为充分，因此即使课程指定了其他教材，它也很有用处。
Ghiaasiaan 的 Convective Heat and Mass Transfer 是研究生层次、更专门的下一步；学生在转向该书之前，应先学完本书第6–8章和第11章。
如何使用本书
本书为修过热力学和流体力学的工科大三、大四学生而写，也适合自学。一学期的课程应按作者的强调先讲第1–3章，然后讲第4章（量纲分析与肋片）、第5章中集总热容和一维非稳态的部分、第6章到雷诺—柯尔伯恩类比为止外加设计所需的湍流结果、第7章、第8章的自然对流部分以及第10章。第10章在第2章之后的任何时候都可以学习。第9章和第11章适合第二门课程或对过程工程、能源感兴趣的学生；第11章不需要以第9章和第10章为前提。
每章做若干道习题，用方括号中的部分答案检查进度，物性数据查附录 A。作者会在网站上发布修订版，因此请记下书名页背面的版本号并留意更新。
版本与来源
本导读依据第六版 Version 6.00（2024 年 4 月 19 日，© 2024 John H. Lienhard V and John H. Lienhard IV，Phlogiston Press），从作者官方网站 https://ahtt.mit.edu/ 免费下载，该网站也链接了解答手册。本导读参考了前言（本书结构和本版改动）、完整目录，以及全部 11 章中每一节的开头部分、第2章小结、1.4–1.5 节全文，以及例题和章末习题的数量与选段。