这些工科生，几代人都学错了传热学，70年间教科书一直错！

无论是流经工业工厂冷凝板的水，还是流经加热和冷却管道的空气，流经平坦表面的流体都是现代生活许多过程的核心现象。然而，一项新的分析显示，这一过程的各个方面一直知之甚少，一些方面被错误地教授给了几代工科学生。这项研究检查了几十年来发表关于流体流动的研究和分析。研究发现，虽然大多数本科教科书和传热学课堂教学都将这种流动描述为：两个不同的区域被突然转变隔开，但实际上有三个不同的区域。

研究人员表示：一个漫长的过渡区与第一个和最后一个区域一样重要。这种差异与流体可以流动的两种不同方式之间的转换有关，当水或空气开始沿着平整的固体薄片流动时，就会形成一个薄的边界层。在该层内，由于摩擦力，最靠近曲面的部分几乎不会移动，恰好在其上方的部分流动得更快，依此类推，直到它以原始流动的全速移动，这种穿过薄边界层的稳定、渐进的速度增加称为层流。

图示：加热或冷却表面的流体从平滑流动过渡到混合湍流，麻省理工学院一项新的研究分析表明，过渡区对热流和温度控制也很重要。

但是再往下走，气流就会改变，分裂成混乱的漩涡和漩涡，也就是所谓的紊流。这种边界层的性质决定了流体传热效果，这对许多冷却过程(如高性能计算机、海水淡化厂或发电厂冷凝器)至关重要。学生们已经被教导计算这种流动的特征，就像从层流突然转变为湍流一样。但是麻省理工学院水和机械工程Abdul Lateef Jameel教授John Lienhard仔细分析了公布的实验数据，发现忽略了这一过程的一个重要部分，这一发现现已发表在《传热学》期刊上。

Lienhard对传热数据的回顾，揭示了层流和湍流之间有一个重要的过渡区。这个过渡区的热流阻力在另外两个区之间逐渐不同，这个区和它前面的层流区一样长，也很独特。这些发现可能对从海水淡化或其他工业规模过程的热交换器设计，到理解喷气发动机中的空气流动等方方面面都有潜在影响。事实上，致力于这类系统的大多数工程师都知道长过渡区的存在，即使本科教科书中没有这一点。

现在，通过澄清和量化这一转变，这项研究将有助于使理论和教学与现实世界的工程实践保持一致，但在在过去的六七十年里，突然转变的概念在传热学教科书和教室里已经根深蒂固了。理解沿平坦表面流动的基本公式，是所有更复杂流动情况的基本基础，例如曲形的飞机机翼或涡轮叶片上的气流，或航天器重新进入大气层时的冷却，平坦表面是理解这些东西如何工作的起点。平面理论是由德国研究员Ernst Pohlhausen于1921年提出。

经常‘调整’数据才可以

但即便如此，实验室实验通常不符合理论假设的边界条件。实验室板块可能有一个圆形的边缘或温度不均匀，所以20世纪40年代、50年代和60年代的研究人员经常‘调整’他们的数据，以迫使他们与这一理论相一致。另外，良好的数据和这一理论之间的差异，也导致了传热学文献中专家之间的激烈分歧。研究发现，英国航空部的研究人员在1931年发现并部分解决了表面温度不均匀问题。

但是他们不能完全解决他们推导出的方程式，这得等到1949年开始使用数字计算机才行，与此同时，专家之间的争论仍在酝酿之中。研究人员看正在教授学生的方程式实验基础，意识到研究人员几十年来就知道这种转变发挥了重要作用，Lienhard表示：想用这些方程式绘制数据，这样，学生们就可以看到这些方程式工作得有多好，我一直看着实验文献，一直追溯到1930年，收集这些数据让一些事情变得非常清楚：

几十年间教科书上教授的东西过于简单化了，在描述流体流动时的差异，意味着传热计算有是错误的。现在，有了这种新的分析，工程师和学生将能够在非常广泛的流动条件和流体中准确地计算温度和热流，错了几十年的教科书终于可以得以修正，但要真正把新研究成果修正到原来的教科书，不知道又要多少年呢？期间还有多少学生继续学着错误或者说不那么正确的知识呢？

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博科园｜研究/来自：麻省理工学院

参考期刊《传热学》

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