在现代科技的浪潮中,热传导和热对流的研究持续推进,而共轭热传的概念,特别是在数位计算机广泛运用之后,成为了一个关键的里程碑。从牛顿时代的经验法则到如今的数学建模,这一过程不仅改变了科学界对热流的理解,也在技术上促进了许多创新。当我们探讨共轭热传的历史时,更是能够看见其对各种工程应用的深远影响。
共轭热传的根本在于描述热量如何在一个物体与流动于其周边的流体之间互动,而这种热的传递是由两个物体之间的相互作用所驱动的。
20世纪60年代,Theodore L. Perelman首次提出了包含流体流动与固体之间热传的耦合问题,并且创造了「共轭热传问题」的术语。此后,Perelman和他的同事A.V. Luikov逐步发展了这一理论。在当时,许多研究人员也开始使用各种不同的方法来解决简单问题,并将固体与流体在其接触面上的解决方案结合起来。这些开创性的研究不仅搭建了共轭热传的学术基础,也为其后的技术进步铺平了道路。
共轭热传问题的形成涉及两个分别系统的方程组,即固体领域与流体领域。对于固体部分,无论是稳态还是不稳态,都需考虑到热传导的拉普拉斯或泊松方程。而在流体部分,根据流动的类型,需采用纳维-斯托克斯方程及相应的能量方程。对于层流,则需考虑边界层,而在湍流情况下则需用到雷诺平均的纳维-斯托克斯方程。
数值方法成为解决共轭问题的一种有效途径,透过迭代方法,假设接口上存在的边界条件,逐步获得解决方案。
数值模拟方法随着计算能力的提升而日益成熟,这为共轭热传的研究提供了坚实的基础。其中,Patankar提出的综合解法能够同时解决固体和流体的方程,确保了边界条件的连续性。这种方法的应用让治疗过程中的热传效率大幅提高,从而促进了医学及工程科技的进步。
共轭热传不仅是一个科学理论,它更以其广泛的应用影响着航空航天、核能反应炉、食品加工等多个领域。
自1960年代以来,共轭热传方法已逐步演变为一项强有力的工具,应用范畴广泛,无论是在工程系统的建模还是自然现象的探讨中。从简单的工程计算到复杂的流体互动,其潜在的应用范围还在不断扩展。实际上,评审文献显示过去百年来,该方法已被应用于超过100个不同的案例和研究,并且在最新的科研成果中仍然活跃。
现今,我们不难发现,共轭热传的理论领域持续与信息技术结合,进一步促进了数位化和自动化的发展。随着计算流体力学(CFD)技术的进一步提升,这种方法的精确度与应用范围无疑会持续扩大。
在共轭热传的研究进展中,是否存在着未来尚未开发的潜力领域?这样的思考或许能够激发更多创新与探索的动力?