“传热学”本科生教材40年的变迁及其对我们的启示(续)

―――――2004年全国热工课程发展战略规划研讨学术大会报告―――――

2.4  计算机与信息产业的发展为数值模拟以及教学资源的开拓提供了物质基础
计算机工业的发展对传热学教材的直接影响是使得传热问题的数值计算普遍被中近期教材[17-33]采纳为一个重要的内容，代替了早期教材中的图解法等（图10）。当计算机求解方法刚引入时，普遍附以程序[8,10,11]。教学实践证明，关键是建立离散方程的方法以及代数方程的求解方法，至于程序本身因为与高级语言有关，没有必要附入。Lienhard父子在2003年的教材[34]中仍对数值计算只字未提，只能看成是一个特例。

图10 求解平板非稳态导热的Schmidt图解法[10]

至于数值求解的内容，则所有近期教材均限于导热问题，这是由于对流换热的数值模拟涉及到许多算法方面的问题，在本科生的传热学教材中不宜展开。本文第一作者在1991年就提出了在我国高等学校中进行传热与流动问题的数值模拟分层次教学的建议[38]：以后又进一步提出了三个层次的设想：本科生阶段着重讲授导热问题的求解，作为一门高年级的选修课，可以介绍以涡量－流函数方法为主的流场求解方法；硕士研究生阶段以学习SIMPLE系列算法的数值方法为主线，同时介绍网格生成技术，到博士生阶段则应该引入近代进展，包括非结构化网格等。在这一思想指导下，编著出版了三个层次的教材[39-41]。十余年来的实践证明，这一构思是切合我国的实际情况的。
计算机工业迅速发展为传热学课程教学提供了建设教学资源的物质基础。目前美国出版的教材，除了纸质版本以外，普遍辅以下列电子材料：多媒体课件、课程教学的计算机辅助教学素材库、习题求解器及电子教材，等，这些内容的总和又称为立体教材。对读者而言，有了课程资源，学习的内容就变得更加丰富多彩，有利于激发他们的学习兴趣，拓宽其视野，使所学到的理论更容易结合实际。教师在教学中如能适当地应用各种资源可以收到更好的教学效果。
2.5  航天航空事业的发展增强了辐射换热、超级绝热材料和热管的内容
70年代左右世界航天事业的兴起大大促经了传热学的发展：从火箭发动机与叶片的冷却技术，空间飞行时航天器的热控制，到重返大气层时的热防护（图11）等一系列与传热学有关的研究均取得了长足的进步。其中对本科生辐射换热内容的影响较大。在太空中，辐射是物体向太空散热的唯一方式。世界辐射换热名著[42]的两位作者Siegel与 Howell，就是美国NASA的两位科学家。航天事业的发展使各种不同表面形状与相对位置间的角系数计算成为一项重要的研究内容[43]，也使得本科传热学教材中辐射角系数计算的份量有所增加。初期教材可以以德国Grober等的传热学[3]为典型：该书中辐射换热部分没有提出角系数的概念；在文献[2]中介绍了角系数的定义、特性，但是仅举出火焰对管排的角系数。到了中期与后期的教材，如[15,16,23,33]中，空间不同位置与形状的两表面间角系数计算就大为强化。超级保温材料在航天事业中应用甚广[44]。著名的美籍华裔传热学家田长霖教授就对此做过重要贡献[45]：1973年他首次访问大陆时在上海科学会堂做的学术报告就是关于超级绝热材料的。这为传热学中抽真空的多层遮热板热绝缘技术提供了很好的应用实例。热管的概念虽然在1942年就已经由美国通用电器公司的Gaugler提出，但是因为找不到应用场合而没有得到重视，60年代初开始被应用于航天器的温度控制（图12）[44]，于是得到蓬勃的发展。目前热管的内容几乎是任何一本近代传热学教材都要介绍的，在文献[23]中则连热管的声速极限、携带极限和沸腾极限都作了介绍。
航空发动机叶片冷却技术的研究进一步促进了强化传热的研究。航空发动机叶片的冷却系统十分复杂(图13，14)，其中所用到的冷却方式包括，冲击冷却、加粗糙元强化对流换热、气膜冷却等。气膜冷却可以对航空专业的学生讲授，一般专业的传热学教学则可以将冲击冷却作为一种外部流动换热方式介绍[26,31]，而粗糙元可以在介绍强化对流换热的技术中引入，同时也可以作为例题或习题的内容。

（a）发射前的航天器	（b）回收的神州5号航天器外壳

图11 我国发射的航天器及回收的神州5号

图12 热管用于卫星表面等温化
  1．用热管前   2. 用热管后

图13  叶片冷却示意图

图14  航空发动机冷却系统

2.6  全球日益严重的环境问题对传热学教学内容的影响
世界经济的迅速发展给全球环境造成了严重的损害：南极臭氧层空洞日益扩大，图15是美国航天局提供的南极臭氧层空洞的摄影照片；全球变暖、气温上升、物种灭绝加速（图16）。据英国皇家学会汇报B刊的计算模拟结果，气温每上升 就使一个物种灭绝；同时城市热岛效应加剧。而目前全球温室效应有增无减，据预测到2100年全球平均气温将比1990年上升1.4－5.8 ，是20世纪内温升值0.6  的2－10倍。另外我国北极考察队发现，北冰洋冰层厚度已经由上世纪80年代的4.88米减少为2.75米，下降了2.13米。如此严重的环境问题是任何一本严肃、科学的传热学教材不能不予以关注的[26,32,33,34]。在传热学教材中有以下几种方式对待这一问题：（1）在阐述气体辐射的选择性时结合讲授温室效应以及由于燃用化石燃料引起的CO2等气体排放造成的影响，如[26,32,33]；(2) 在习题与例题中引入替代工质的相变换热计算，如[26]；(3) 列出专节予以重点叙述，例如Lienhard 父子的教材[34]，不仅给出了美国NASA的从1880－2000气温上升曲线（图17），并且还对造成的原因展开了讨论。

图15  美国航天局给出的南极臭氧层空洞照片

图16  严重的干旱造成物种灭绝

图17  Lienhard父子传热学教材中的插图[34]