Principles of Heat Transfer（传热学原理）

引用

Kreith, F., & Manglik, R. M. (2018). Principles of Heat Transfer (8th ed.). Cengage Learning.

章节概要

第八版共十一章和五个附录（国际单位制、数据表、三对角矩阵计算机程序、传热的商用计算机程序，以及传热文献），共784页。每章以一份题为“Concepts and Analyses to Be Learned”（待学习的概念与分析）的清单开头，以小结、参考文献和习题结尾。Cengage称本书遵循ASME传热教育委员会的建议，采用全面的工程方法，将计算分析与阐明物理本质的解析方法结合起来。

第1章：传热的基本方式（Basic Modes of Heat Transfer）

先联系热力学说明传热，再讲量纲与单位，并引入热传导、对流和辐射。最后讲组合传热系统、隔热以及能量守恒定律的作用。

第2章：稳态热传导（Steady Heat Conduction）

引入热传导方程，并用于简单几何形状中的稳态传导，然后讲延伸表面（肋片）和多维稳态传导。

第3章：瞬态热传导（Transient Heat Conduction）

讲内部热阻可忽略的系统、有空间温度分布的系统、半无限固体和多维系统。

第4章：热传导的数值分析（Numerical Analysis of Heat Conduction）

发展一维稳态与非稳态传导的数值方法，然后是二维稳态与非稳态传导、柱坐标和不规则边界。

第5章：对流传热分析（Analysis of Convection Heat Transfer）

对流的理论章节：边界层基础，平板层流的质量、动量和能量守恒方程，无量纲方程与相似参数，量纲分析，层流边界层的解析解与近似积分解，平板上的湍流，以及特殊边界条件与高速流动。

第6–8章：外表面强制对流；管内强制对流；自然对流（Forced Convection over Exterior Surfaces; Forced Convection Inside Tubes and Ducts; Natural Convection）

第6章讲绕钝体的流动、圆柱与球体、横掠管束（包括带肋管束）、填充床和自由射流。第7章讲长管内的层流强制对流、层流与湍流的关联式、传热与动量传递的类比，以及强化传热和电子器件冷却。第8章讲自然对流的相似参数、各种形状的经验关联式、带肋表面、旋转的圆柱、圆盘和球体，以及强制与自然混合对流。

第9–10章：相变传热；换热器（Heat Transfer with Phase Change; Heat Exchangers）

第9章讲沸腾（池沸腾与强制对流沸腾）、凝结、冷凝器设计、热管，以及凝固与融化。第10章讲换热器的类型、总传热系数、对数平均温差、效能、强化传热和微尺度换热器。

第11章：辐射传热（Heat Transfer by Radiation）

热辐射、辐射热流、黑体辐射与辐射特性；太阳辐射与全球变暖；辐射角系数；黑表面、灰表面和非灰表面的封闭腔；辐射与对流、传导的组合；以及气体与蒸汽的辐射特性。

核心概念

第1–4章：传热方式与热传导

• 热传导、对流与辐射：三种基本传热方式，在第1章一并引入。
• 延伸表面（肋片）：为增强传热而增设的表面，在稳态传导一章中讲解。
• 内部热阻可忽略：瞬态传导的集总处理，与有空间温度分布的系统相对照。
• 数值分析：传导问题的数值求解，如用有限差分；附录提供三对角矩阵程序。

第5–8章：对流

• 边界层：紧邻表面、决定对流传递的薄层区域。
• 相似参数：用来整理对流结果的无量纲组。
• 传热与动量传递的类比：用于管内湍流强制对流的联系。
• 自然对流与混合对流：浮力驱动的流动及其与强制流动的组合。

第9–11章：相变、换热器与辐射

• 沸腾与凝结：伴随相变的传热，涉及冷凝器设计和热管。
• 对数平均温差与效能：分析换热器的两种主要方法。
• 辐射角系数：表面之间辐射交换的几何因子。
• 灰体与非灰体封闭腔：封闭腔内辐射交换的模型。

评析

优点

• 各章布局清晰。 每章都以待学习的概念与分析的陈述开头，以小结、参考文献和习题结尾，有助于自学和课程规划。
• 分两步建立对流。 第5章发展边界层理论和相似，第6至8章再给出外部、内部和自然对流的关联式。学生是先看到分析，再看到经验公式。
• 面向设计的内容。 Cengage说明本书强调在可再生能源、生物工程、微电子、材料加工和太空探索等当前工程挑战中的应用，目录中则有电子器件冷却、热管、冷凝器设计和微尺度换热器。
• 计算是书的一部分。 数值分析自成一章，附录提供三对角矩阵程序和传热商用计算机程序概览。
• 解题方法。 出版社说明，作者使用类似执业工程师所面对的开放式问题，并建议用自己的话重述问题，画出已知量和未知量的示意图。

局限

• 没有传质。 十一章只涉及传热。需要传质的学生要另找带传质章节的教材，如Çengel与Ghajar或Lienhard的书。
• 对流理论集中在一章。 第5章把边界层方程、相似、量纲分析和积分方法放在一章里，对刚接触这门学科的学生来说，在进入关联式各章之前这可能是比较陡的一步。
• 各来源的版本细节不同。 Cengage列出的版权年份是2018年，而Google图书把第八版的日期定为2016年10月；ISBN 9781337535366是电子书，印刷版另有ISBN。

在课程中的定位

Kreith与Manglik的书是第一门传热课程的主教材。Çengel与Ghajar的 Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications 是最接近的替代选择：其第六版印刷版有14章外加三个在线章节，增加了传质，并采用淡化数学、物理优先的方法；Kreith与Manglik则更紧凑，共十一章，并为对流设了一章理论章节。Lienhard的 A Heat Transfer Textbook 是入门性的替代选择，也涉及传质，其第六版可免费下载；Nellis与Klein的 Introduction to Engineering Heat Transfer 把推导与EES、MATLAB等计算工具结合起来。

Bergman、Lavine、Incropera与DeWitt的 Fundamentals of Heat and Mass Transfer 是更严谨的工程教材，附有分析与设计习题。Ghiaasiaan的 Convective Heat and Mass Transfer 是对流方面的研究生层次论述，适合在学过以上任何一本教材的课程之后读。

如何使用本书

本书适合修第一门传热课程的机械、化工和航空航天工程学生，也适合需要标准关联式的执业工程师。Cengage没有列出预备知识；学生需要微积分、微分方程和基础热力学，学习对流各章时流体力学也会有用。

• 核心： 第1–3章（传热方式、稳态与瞬态传导）、第6–8章（强制与自然对流关联式）、第10章（换热器）和第11章（辐射）。
• 理论与计算： 第4章热传导的数值分析和第5章对流分析是数学性最强的章节；如果课程包含数值方法或边界层分析，就要学这两章。
• 选读： 第9章沸腾、凝结与热管，可在对流掌握之后再学。

每章从“待学习的概念与分析”清单开始，用自己的话重述每道题并画出示意图，并把附录2的数据表放在手边。