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导读
引用
Nellis, G. F., & Klein, S. A. (2021). Introduction to Engineering Heat Transfer. Cambridge University Press.
章节概要
本书约1,000页，包括14章正文、热物性表附录、书中所用三种软件（Engineering Equation Solver、Finite Element Heat Transfer 和 MATLAB）的教程，以及部分习题答案。本书源于作者在威斯康星大学麦迪逊分校讲授的本科传热学课程。序言阐明了其方法：每个问题都分为建模（界定并简化问题）、分析（从基本原理推导方程）、求解（通常借助计算机）和探索（参数、优化和设计研究）四个步骤，使软件只负责求解方程，而不替学生思考。每章以结论与学习目标、按主题分组的习题，以及若干使用计算机工具的项目题结束。一份由45讲组成的一学期教学安排示例，把各节分配到15周的课程中。
第1章：绪论
传热为何重要、它与热力学的关系、解题方法、三种传热机理（导热、对流、辐射），以及热物性，包括实际流体、理想气体模型和不可压缩物质模型。
第2章：一维稳态导热
全书的基础，篇幅超过150页。傅里叶定律与导热系数；从微元控制体出发逐步推导平壁导热；平壁、圆柱和球几何中的热阻概念，以及对流热阻、接触热阻和辐射热阻；有均匀和非均匀内热源的导热；以及有限差分数值解法，分别用EES、矩阵分解和高斯–赛德尔迭代求解，并考虑随温度变化的物性。
第3章：扩展表面问题
扩展表面近似与毕渥数、肋片方程的解析解（附有双曲函数和线性常微分方程的复习）、肋片效率、肋端对流、肋片热阻与肋化表面，以及数值解法。
第4章：二维稳态导热
控制方程与边界条件、导热形状因子及其作为热阻的含义、用第2章三种方法求得的有限差分解，以及在FEHT中求得的有限元解，并讨论网格收敛和工程判断。
第5章：集总参数非稳态问题
集总热容假设、毕渥数与时间常数、环境温度阶跃变化和斜坡变化时的解析解，以及数值积分：欧拉法、预测–校正法、隐式方法，以及EES和MATLAB中的常微分方程求解器。
第6章：非稳态导热
概念工具（扩散输运、扩散时间常数、半无限体热阻），半无限体以及平壁、圆柱和球（精确解与近似解）的解析解，以及包括非稳态有限元分析在内的一维和二维数值解。
第7章：对流
对流的概念基础：层流速度边界层与温度边界层、普朗特数和雷诺数、摩擦系数与努塞尔数、雷诺比拟、湍流边界层与临界雷诺数、边界层方程，以及引出关联式的量纲分析。
第8章：外部强制对流
先讲如何使用对流关联式，然后讨论平板上的流动（光滑与粗糙表面、无加热起始段、恒热流）、横掠圆柱及其他型材的流动，以及绕球流动。
第9章：内部强制对流
内部流动的流体力学和热学问题（发展段与充分发展段、入口段长度、摩擦因子、平均温度），层流和湍流的关联式（包括EES的内部流动库），以及给定热流、壁温或外部温度时的能量平衡。
第10章：自然对流
浮力驱动的流动及其无量纲数（格拉晓夫数和瑞利数），不同朝向平板、球和圆柱的外部关联式，竖直平行板通道和封闭空腔的内部关联式，以及自然对流与强制对流的混合对流。
第11章：沸腾与凝结
池沸腾与沸腾曲线、流动沸腾、壁面、平板、圆柱和肋片管上的膜状凝结，以及流动凝结，各附关联式。
第12章：换热器
应用与分类、总体能量平衡与传热系数（包括污垢热阻）、横掠管束的流动与紧凑式换热器关联式、逆流换热器的解、对数平均温差法，以及效能–传热单元数法，最后讨论效能在极限情况下的表现及其对设计的意义。
第13章：传质
组成关系、菲克定律与扩散系数、界面浓度、固体中的非稳态扩散、伴有对流的扩散（通过气体层的蒸发）、动量、能量和质量传递之间的比拟，以及热质同时传递。
第14章：辐射
黑体辐射与普朗克定律、角系数（包括交叉线法和EES角系数库）、黑体表面间的辐射换热、发射率与实际表面的辐射特性、基尔霍夫定律，以及利用有效辐射和热阻网络计算漫灰表面间的辐射换热。
核心概念
第1–4章：稳态导热
- 热阻：把导热、对流、接触和辐射视为热阻，组合成热路。
- 肋片效率与毕渥数：何时可以把表面视为扩展表面，以及肋片的传热效果如何。
- 形状因子：二维导热中取决于几何形状的热阻。
- 有限差分与有限元：检验收敛性的导热问题数值解法。
第5–6章：非稳态导热
- 集总热容与时间常数：温度近乎均匀的物体的非稳态行为。
- 扩散时间常数与半无限体：热扰动渗透多远、多快。
- 显式与隐式时间积分：欧拉法、预测–校正法和隐式方法，以及通过常微分方程求解器的应用。
第7–11章：对流与相变
- 边界层与雷诺比拟：表面摩擦与传热之间的联系。
- 对流关联式：外部、内部和自然对流的努塞尔数关系式。
- 沸腾曲线与膜状凝结：伴随相变的传热。
第12–14章：换热器、传质与辐射
- 对数平均温差与效能–传热单元数：分析换热器的两种标准方法。
- 菲克定律与热质比拟：组分扩散及其与传热的相似之处。
- 角系数与有效辐射：控制辐射换热的几何因素和表面性质。
评析
优点
- 清晰的解题规范。 序言中建模、分析、求解和探索的划分贯彻到例题之中，教学生先建立模型再动用软件，然后用软件对模型进行探索。
- 计算融入而非附加。 EES、MATLAB和FEHT出现在各章正文之中，数值方法与解析方法并行展开（第2章和第4章的有限差分，第5章和第6章的时间积分，第4章和第6章的有限元）。附录提供软件教程，EES的传热库则提供原本需要查图表才能得到的物性、形状因子、角系数和关联式。
- 练习支持充分。 习题按主题分组，每章都有供引导式探索的项目题，并附部分习题答案。出版社引用的 Ernest Tollner、Thomas Merrill 和 Marc Hodes 的推荐语，称赞其基于计算机的解法清晰，且软件的使用始终把重点放在解题本身。
- 现成的教学安排。 45讲的教学安排示例说明了如何在一个学期内讲完全书。
局限
- 依赖特定软件。 本书的大部分价值来自EES、FEHT和MATLAB。作者指出有教育版可用，但无法使用这些软件的学生会失去许多例题和项目中一半的计算内容。
- 单位混用。 书中例题和习题有意混用英制单位和国际单位，依靠EES的单位检查；这反映了工程实践，但对只习惯国际单位的学生要求更高。
- 篇幅。 全书约1,000页，仅第2章就超过150页；尽管教学安排示例用45讲覆盖全书，作为第一门课程的教材仍然偏长。
在课程中的定位
Nellis 和 Klein 的书是传热学书目中以计算为导向的入门教材。Lienhard 和 Lienhard 的 A Heat Transfer Textbook 可从作者处免费获取，从物理原理出发涵盖相近的内容，并注重量纲分析和工程判断；它是很好的第二种讲解，尤其适合无法使用EES的学生。Çengel 和 Ghajar 的 Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications 以及 Kreith 和 Manglik 的 Principles of Heat Transfer 是常规的本科教材，在课程不使用EES时可作为主教材；此时 Nellis 和 Klein 关于数值方法的章节便成为有用的补充。
Bergman、Lavine、Incropera 和 DeWitt 的 Fundamentals of Heat and Mass Transfer 内容更为全面，适合学完本书后希望深入学习的学生，或作为后续课程的参考书；Ghiaasiaan 的 Convective Heat and Mass Transfer 则是把第7–10章和第13章推进得远得多的研究生教材。序言中提到的同一作者的进阶教材 Heat Transfer，是喜欢这种方法的读者自然的下一步。
如何使用本书
本书面向本科传热学课程，也可作为在职工程师的参考书。需要微积分、常微分方程和第一门热力学课程的基础；具备一些流体力学知识有助于学习对流各章。
- 一学期课程的核心： 教学安排示例用45讲、即每周约三讲覆盖全部14章；课时较少的课程可以压缩第11章和第13章。
- 必学章节： 第2、5、7、12章。热阻概念、集总参数非稳态分析、边界层思想和换热器方法是其余一切内容的基础。
- 可以压缩的部分： 课程不使用软件时的数值方法小节（但这样会失去本书最有特色的部分）；传质在其他课程中讲授时的第13章。
尽早安装EES教育版，并在学习第2章的数值方法小节之前先学习附录E。对每道题，先手写建模和分析过程，再用软件求解，然后利用探索步骤（如参数研究）考察答案如何随各个输入变化。每章至少尝试一道项目题。