一、傳熱現(xiàn)象基礎理論

熱傳導是能量以熱能形式在存在溫差的物體或系統(tǒng)間傳遞的物理現(xiàn)象。其研究范疇涵蓋熱能的生成、轉換及交換過程，構成工程熱力學分析的核心基礎。

二、傳熱機制分類

如圖1所示，熱傳遞主要依賴以下三種基本模式：

圖1  熱傳遞機制分類示意圖

1.1 熱傳導（Conduction）

· 機理：通過直接接觸的分子或晶格振動傳遞能量。高溫區(qū)域分子振動劇烈，通過碰撞將能量傳遞至低溫區(qū)域，直至系統(tǒng)達到熱平衡。

· 特點：金屬等致密材料導熱系數(shù)高（如銅：385 W/m·K），非晶態(tài)材料導熱性低（如木材：0.1 W/m·K）。

· 實例：熨斗與衣物接觸傳熱、手握冰塊融化過程。

1.2 熱對流（Convection）

· 機理：流體與固體表面接觸時，通過流體宏觀運動傳遞熱量。

· 分類：自然對流（密度差驅動）與強制對流（外力驅動）。

· 應用：發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、電子設備風冷散熱。

1.3 熱輻射（Radiation）

· 機理：電磁波形式傳遞能量，無需介質參與。

· 定律：遵循斯特藩-玻爾茲曼定律（q=εσT4q=εσT4）。

· 實例：焊接過程中的電弧輻射、太陽熱能傳遞。

三、熱傳遞速率影響因素

傳熱效率由以下參數(shù)共同決定：

· 溫度梯度（ΔT）：溫差越大，熱流密度越高。

· 材料屬性：導熱系數(shù)（λ）、比熱容（CpCp）、密度（ρ）。

· 幾何特征：有效接觸面積（A）、傳熱路徑長度（L）。

· 邊界條件：對流換熱系數(shù)（h）、輻射發(fā)射率（ε）。

四、傳熱分析的工程應用

2.1 鑄造工藝優(yōu)化

通過液態(tài)金屬凝固過程的熱-流耦合模擬（如圖2），可預測縮孔、氣孔缺陷，優(yōu)化澆注系統(tǒng)設計。

圖2  高溫液態(tài)金屬

2.2 焊接殘余應力控制

多物理場分析揭示焊接熱循環(huán)（如圖3）對熔池形貌的影響，結合熱應力公式：

σ=EαΔTσ=EαΔT

（E：彈性模量，α：熱膨脹系數(shù)）
指導工藝參數(shù)選擇以降低變形風險。

圖3  焊接過程中的熱傳導機制

2.3 電池熱管理設計

電化學-熱耦合模型實現(xiàn)溫度場均衡控制，避免局部過熱引發(fā)熱失控。

2.4 電子設備散熱優(yōu)化

通過芯片級傳熱仿真，優(yōu)化散熱器拓撲結構，確保結溫低于安全閾值。

2.5 發(fā)動機熱負荷分析

冷卻系統(tǒng)對流換熱模擬指導流道布局，提升燃油效率10%-15%。

五、Abaqus熱分析模塊解析

3.1 分析類型選擇

· 瞬態(tài)分析：考慮熱容效應，適用于動態(tài)過程（如淬火冷卻）。

· 穩(wěn)態(tài)分析：求解長時間尺度下的溫度場穩(wěn)態(tài)解（如管道保溫設計）。

圖4瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)溫度場對比

3.2 耦合方式對比

六、熱分析實施流程示例

以圓柱體熱鍛成形模擬為例：

1. 初始條件：坯料800°C，模具50°C

2. 邊界設定：接觸熱阻、環(huán)境對流

3. 求解器選擇：Abaqus/Explicit動態(tài)顯式算法

4. 后處理：提取溫度梯度場與等效熱應力云圖

圖5 圓柱體熱鍛成形

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