作者   飞云弓长 6park.com
 6park.com
第35章 攻博研究在清华
  6park.com
 6park.com
  6park.com
一、  学位论文研究方向  6park.com
  6park.com
在博士论文研究之前，我曾在两个方向上做我的研究工作： 6park.com
1. 火焰炉内辐射传热的研究。 6park.com
火焰炉内辐射传热的研究是我自硕士研究生时期以来一直坚持的研究方向。回顾过去，我和我的硕士生时期的导师宁宝林教授曾在国内最早引入美国麻省理工学院H.C. Hottel教授的辐射传热分析方法——区域法，并在此基础上，提出了计算辐射直接交换面积的逐次局部再分方法，对复杂的辐射传热分析方法——区域法模型进行了改进，形成了自己独特的炉内辐射传热数学模型。而且，我们也是中国国内最早在国外杂志发表炉内辐射传热研究成果的研究学者。 6park.com
2. 实际气体自然对流传热研究。 6park.com
这是我不久前在德国做研究学者期间开始的研究方向。我在一年前回国后，继续这方面的研究工作，并且分别在东南大学和北京清华大学召开的国计算传热学学术会议上发表了这一研究的初步成果。 6park.com
这里所谓的实际气体（以下简称为气体）是对于理想气体而言。理想气体不考虑物理性质的变化，而实际气体的物理性质是随温度变化而变化的。于是，为了提高气体自然对流传热理论研究的实际价值，气体变物性对自然对流传热的影响是不能回避的。 6park.com
考虑气体变物性对自然对流传热影响，在前人的研究中是不多见的。事实上，长期以来，气体自然对流传热研究，大多采用Boussinesq近似，即除了在控制方程的浮力项考虑气体密度的变化以外，其他物理性质的变化不予考虑。 6park.com
这是因为，考虑变物性对气体自然对流传热的影响，在研究中要面临许多困难。很长时间以来，由于电子计算器能力的限制，做这样的研究很费时费力。而且，方便可用的气体变物性模型，以及把它和气体边界层微分方程实现有机的耦合，都需要做更加深入的研究。在这些方面的研究上，要走的路还是很长的。 6park.com
我相信，考虑气体变物性的自然对流这一研究方向，不仅具有很强的理论价值，而且，更具有很高的实际应用价值。因此，我认为坚持这一研究方向是很有意义的研究工作。不久前，我申请的一项“有相变及无相变的气体自然对流传热变物性影响研究”国家自然科学基金课题，就是我决心坚持这一研究方向的具体体现。这一申请课题当时正置于自然科学基金委的专家评审程序中。  6park.com
根据我的研究经历和学术实践，王补宣院士交给我的博士学位研究课题是“炉内辐射和自然对流耦合的传热研究”。王院士显然希望我把上述两个研究方向结合起来，开展更加深入的研究探索。 6park.com
接过王补宣院士交给的博士学位论文研究课题，我深感这一课题研究的颇具挑战性。首先，由于需要考虑复杂的炉内辐射和多重反射，火焰炉内辐射传热研究的复杂性，我在我以往的研究中是深有体会的。这个方向每走一步都面临很巨大的挑战。而且，气体自然对流传热变物性影响的研究，对我来说，更是一个传热学上具有前瞻性质的研究方向。这两个方向研究工作结合在一起，其研究的难度更是不难想象的了。 6park.com
二、                
学位论文研究规划 6park.com
经过一番思索，我制定出我的博士学位课题的研究规划。它包括如下几个方面的研究内容： 6park.com
1. 研究可靠，实用的气体变物性理论模型 6park.com
气体的变物性的模型是理论研究气体的变物性对自然对流传热影响的基础条件。关于这方面的探讨，科学家们做过许多研究工作，获得很多很重要的研究成果，并陆续提出过气体变物性模型。我需要在气体变物性对自然对流传热的影响研究之前，既可靠又实用的气体变物性理论模型。 6park.com
2. 研究便于变物性处理的边界层速度场理论最优相似转换模型 6park.com
该项研究的目的是使得速度场理论最优相似转换方法和模型，适合于用来处理气体的变物性。不久前，我在东南大学的全国第二次计算传热学会议，以及清华大学的国际传热学会议上，发表的边界层速度场理论最优相似转换模型，尚没有考虑变物性，显然是速度场最优相似转换模型的初级阶段了。在当前的论文的研究中，在考虑气体自然对流变物性影响中，这一模型需要结合气体变物性做进一步的改进。一句话，这样做的目的是使气体的变物性对自然对流传热影响的理论研究成为可能。 6park.com
3. 研究实际气体变物性对自然对流传热的影响 6park.com
确定了适合于变物性处理的气体变物性模型，和对流边界层速度场的理论最优相似转换模型以后，再研究气体的变物性对自然对流传热的影响，便是顺理成章的了。该项研究要深入探索气体种类，反映气体种类的气体温度参数，以及对流边界层边界温度对对流传热的影响。 6park.com
4. 研究炉内辐射和气体自然对流耦合传热 6park.com
完成气体的变物性对自然对流传热的影响研究以后，进一步开发火焰炉内辐射传热数学模型。该辐射传热数学模型使得炉内辐射传热，和考虑变物性影响下的炉内气体自然对流传热实现有机的耦合。在此基础上，进行炉内温度和热流分布的预示计算。 6park.com
5. 实验验证炉内温度和热流分布的理论计算结果 6park.com
以上这5项研究环环相扣，缺一不可。他们都对整个博士学位课题研究，具有至关重要的作用。第4项研究是气体自然对流变物性影响，和炉内辐射耦合传热研究的集大成。第5项研究是验证理论研究结果的实验研究，用来验证气体自然对流变物性影响的理论研究，及其与炉内辐射传热耦合的传热于是计算结果的正确性。 6park.com
6. 理论研究辐射换热区域法反问题 6park.com
该项理论研究是抚顺市某工厂委托的研究项目的一部分。该工厂是恒温单晶热扩散炉的制造厂。长期以来，该厂制造的恒温单晶热扩散炉的有效热扩散长度上不去，影响炉子热扩散的效率。我接受的项目是开发一台具有较高有效长度的恒温单晶热扩散炉。在该项研究中，恒温单晶热扩散炉炉内最优供热热流分布的理论研究是一个核心问题。这是辐射换热区域法反问题的研究，理论上具有更大的挑战性。 6park.com
三、                
实际气体变物性研究和应用 6park.com
博士学位课题的研究规划制定后，我首先开始气体温度变物性研究。 6park.com
气体的状态方程表明，气体密度和他的绝对温度成反比。然而，气体导热系数，粘度和比热随温度的变化，却随着气体的温度的增加而增加，其变化规律表现出与气体密度的变化截然不同。 6park.com
许多学者从事过有关气体物理性质随温度变化规律的研究，并且提出了相应的气体温度变物性的公式。一般来讲，对于研究气体的自然对流传热变物性影响，比较常见的是苏斯兰（sutherland）公式和幂指数公式。 6park.com
比较起来，苏斯兰公式较为精确，但是较为复杂。这表现在用它处理气体的变物性有些不便，与考虑气体自然对流传热变物性影响的控制方程中更不能实现有机的耦合，于是也不能很方便地用于炉内传热分析和对炉内温度和热流分布的预示计算。 6park.com
气体物性的幂指数公式形式极适合变物性的处理，适合用来研究自然对流传热变物性影响，也适合用于传热分析和预示计算。于是，我决定采取幂指数的形式来作为气体的温度变物性模型。 6park.com
确定了用幂指数的表达形式来探索实际气体的温度变物性，下面的工作是确定一系列实际气体粘度，导热系数温度变物性的幂指数。 6park.com
然而，在气体物理性质的研究上，在当时尚缺乏有关的研究结果可以用于准确地提供一系列实际气体的粘度，导热系数温度变物性的幂指数。因此，在采用幂指数的形式来作为气体的温度变物性模型的工作中，我还需要一段路要走。 6park.com
人们常说，一流的研究工作需要一流的研究资料为依托。于是，我查阅了最新的，标准的气体物性测量手册。从这些手册中，我发现了一系列气体随温度变化的可靠的物性值，并从中获得了一系列气体物性值随温度变化的可靠的数据。以这些数据为基础，应用相应的数理统计和曲线拟合方法，我终于确定了一系列气体物性值随温度变化的比较可靠的幂指数。 6park.com
我认为，我确定的一系列气体物性值随温度变化的可靠的幂指数，对于我的博士学位论文研究不仅是一个很重要的开端，而且，也是研究气体自然对流传热变物性影响的一项重要的成绩。 6park.com
在气体变物性模型的深入研究中，我提出了气体温度参数的概念，比如气体粘度温度参数和导热系数温度参数，用以代表实际气体的粘性和导热系数的幂指数。而且，我在接下来的研究中，将把我获得的一系列气体的温度参数，作为探索不同气体的物性随温度变化规律的重要指针，由此使我探索气体变物性对对流传热影响的研究成为可能。 6park.com
我把我的实际气体变物性的研究进展向导师王院士做了汇报。 6park.com
王院士接到我的研究汇报后，很快给我写了一封信。信中王院士对我前一阶段的研究给予了肯定。王院士很欣赏我提出的处理气体变物性的温度参数法模型，以及在确定不同气体温度参数中认真的研究态度。从此，表达气体变物性的温度参数法模型连同不同气体的温度参数值便问世了，用于实际气体自然对流传热变物性影响的研究探索中。而且，我和导师提出的一系列气体温度参数也在以后的时间里经常受到国际上的引用。 6park.com
同时，王院士也指出了其中的不足之处。他告诉我，在使用气体温度参数法处理气体粘度和导热系数的温度变化时，气体另一重要物理性质，气体比热随温度的变化也应该被考虑。他指出，既然气体普朗特数由气体粘度，导热系数和比热组成，比热随温度的变化和黏度，导热系数随温度的变化一样，都应该被考虑。 6park.com
“导师的指导可真是高屋建瓴啊！”王院士的指导意见使我深感佩服。 6park.com
我深深感悟到恩师的指导对我的学术成长至关重要。导师的及时指正，使我在研究探索处理气体变物性的温度参数法的应用中，进一步增加了气体比热温度参数的研究。我用气体比热随温度变化的标准测定值，确定了一系列气体的比热温度参数。这使我的气体变物性模型的研究和应用得以更加深入和完整。 6park.com
此后，我在研究中进一步发现，对于单，双原子气体，空气和水蒸汽，比热随温度变化很小，以至于比热温度参数可以忽略不计。然而，对于多原子气体，由于比热随温度的变化较为明显，其比热温度参数不可忽略。这样的发现，使我对气体自然对流传热变物性影响的研究更加具有科学性。 6park.com
四、  气体变物性对自然对流传热耦合影响  6park.com
根据我的气体变物性的研究结果，我在气体变物性对自然对流传热影响的研究中，把单，双原子气体，空气和水蒸汽归纳为一组，
把多原子气体归纳为另一组，分别对它们的温度变物性对自然对流传热的影响进行了深入探讨，得到了创新的研究结果，并获得了预示气体自然对流传热系数的公式。 6park.com
该公式中的气体自然对流传热系数是气体诸温度参数，边界温度条件的函数。这就是说，对于给定的气体种类，和气体的边界温度，气体自然对流传热系数便是可知的。公式虽然简单，然而其来源可不简单，蕴含了有关的理论研究的复杂。 6park.com
这些研究成果是我的博士论文[1] 研究的重要组成部分，并且陆续发表在国际传热传质学界最著名的杂志，国际传热传质学报（IJHMT）上[2,3]。 6park.com
而且，我用激光测速仪对大温差下气体自然对流速度场的测量结果，和相应的理论计算结果实现了很好的吻合[4]。这也从一个侧面证实了我的气体自然对流传热变物性影响研究的正确性。 6park.com
总结起来，我的这一气体自然对流传热变物性影响研究，获得了如下的突破性进展： 6park.com
1. 提出了考虑气体变物性的对流边界层速度场的理论最优相似模型 6park.com
我借助流体边界层控制体的力学分析，结合边界层微分方程量纲分析，通过演绎推理（Deductive reasoning）的方法，进一步导出了对流边界层速度场的理论最优相似转换方法和模型，在此基础上成功地完成了考虑变物性的边界层控制微分方程的相似变换，其结果使边界层控制微分方程得以实现最优相似简化，极大地简化了边界层控制方程的求解过程和传热分析。 6park.com
应该指出的是，我导出的对流边界层速度场的理论最优相似转换方法和模型，在处理流体变物性的对流传热上，优于德国人发明的已有80多年历史，现今仍在国际上流行的Falkner-Skan变换[5]。这是因为，前者可以方便用来处理气体的变物性，使实际气体对流传热变物性影响的理论研究成为可能。而后者在处理气体的变物性上有很大困难，更难于用来研究气体变物性对自然对流传热的影响。 6park.com
2. 提出了独到的处理气体变物性的温度参数法及其模型 6park.com
我在引用气体物性随温度变化的幂指数规律的基础上，提出和应用了气体温度参数的概念，并且依据气体物性的标准测量值，获得了一系列气体温度参数的可信值，完善了处理气体变物性的温度参数法。在气体自然对流传热变物性影响的探索中，这一研究结果提供了物理层面的严格的数学描述。  6park.com
3. 确立了气体对流传热理论研究的可信度和实际应用价值 6park.com
我在严格考虑了实际气体的变物性对自然对流传热影响的研究获得了回报，实际气体自然对流传热系数的理论公式终于问世了。 6park.com
值得指出的是，我的博士学位研究在气体自然对流传热变物性影响方面的贡献得到了国际传热学同行的重视和应用，仅举例[6 - 10]如下： 6park.com
文献[6,7]的作者 G.Taton等人在验证射频手术（radiofrequency
ablation）中由热像仪测量的温度场时，其温度测量结果用我和我的导师提出的预示气体自然对流传热系数公式进行了验证，发现验证的偏差值仅在2％以内（即使在边缘附近）。该论文的作者G.Taton认为，我和我的导师王补宣先生提出的预示气体自然对流传热系数公式是国际上预示气体自然对流传热最精确的公式。 6park.com
文献[8] 应用我和我的导师开发的确定气体变物性的温度参数法和一系列温度参数值，研究气体热物理性质对垂直锥体上气体自然对流的影响.  6park.com
文献[9]应用我和我的导师开发的确定气体变物性的温度参数法和一系列温度参数值，进行气体自然对流的理论研究，得到的结果与我们相应的传热计算结果高度吻合。 6park.com
文献[10]在厨房用多种火焰进行加热的研究中，应用了我和我的导师考虑变物性的气体自然对流传热系数的公式[2,3]，公式的计算结算和实验结果实现了很好的吻合。 6park.com
国际上还有许多应用我和我的导师王补宣院士的气体自然对流传热系数公式[2,3]的实例，这里就不一一列举了。 6park.com
五、  流体变物性影响研究的应用价值 6park.com
我和我的导师王补宣院士提出的气体自然对流传热系数理论公式表明，我们的流体对流传热变物性影响的理论研究具有可靠的实际价值，从而打破了长期以来对流传热学的研究中，只有以实验为基础的经验传热公式才被认为具有实用价值的观点。 6park.com
我认为，打破这一传统的观点是气体自然对流传热变物性影响研究的一个重要里程碑。这一成功的理论研究也成为我于1994年获得的中国国家教委科技进步2等奖，以及1999年我以杰出科学家资格被载于美国出版的世界名人录的重要原因。  6park.com
气体自然对流传热变物性影响研究的这一良好开端，使我的研究方向从炉内辐射传热转到实际流体对流传热学的研究轨道。饮水思源，这样可喜的研究成果是我在导师王院士渊博的学识，严谨的学风，和严肃的科学精神的指导下完成的。这使我在历时三年的清华大学博士学位攻读中受益匪浅。至今，每逢回忆起在导师指导下的攻博历程，一种幸运感油然而生。 6park.com
从此，我在以后的研究生涯中，陆续发表了关于实际流体对流传热学成果的5本英文科学著作和一系列研究论文，由此开展《实际流体理论对流传热学》的研究方向。我的研究表明，对流传热理论研究可以具有可靠的实用价值，而流体的变物性对对流传热影响的研究是使其具有实用价值的可靠保证。于是，我的这方面系统的理论研究，成为国际上实际流体对流传热学理论研究的一个里程碑。这是后话。 6park.com
六、  炉内辐射和自然对流耦合传热的理论研究和实验验证 6park.com
在气体自然对流传热变物性影响研究的基础上，我的学位论文研究开始转入炉内辐射和自然对流耦合的传热计算中。其中，最主要的工作内容是： 6park.com
1. 炉内各表面和气体空间区域的划分。 6park.com
2. 炉内各区域能量方程式的确定。区域能量方程式包括表面区域和其他区域间的辐射，气体区域对辐射的吸收和透射，表面区域的对流换热和导热等。 6park.com
3. 用逐次局部再分公式计算区域间的辐射交换因子。这次研究采用辐射交换因子比以往的辐射直接交换面积是一个进步，因为前者更代表一般性，应用更广泛。 6park.com
4. 求解炉内各区域的温度和热流分布。 6park.com
用于传热预示计算的火焰实验炉是东北大学热能系的实验用煤气加热炉。所用的燃料是城市煤气，采用流量表记录煤气流量。于是，炉内的单位时间的供热量便是可控的了。此外，炉子顶部设有水箱作为炉子的载热体。水的温度和流量可以测量。这些都是求解炉内各区域的温度和热流分布数学模型的输入条件。 6park.com
炉内温度和热流分布的理论计算和实验测量的结果吻合的较好。这说明炉内各区域间辐射交换因子的计算，气体变物性对自然对流传热影响的研究，以及炉内辐射和自然对流耦合传热的理论计算模型都是正确和合理的。 6park.com
七、                
恒温热扩散炉最佳供热（辐射换热区域法的反问题）的研究 6park.com
该研究的过程如下： 6park.com
1. 该项研究中采用的分析计算方法：辐射换热区域法。 6park.com
2. 炉子几何条件的确定，包括炉子的形状（圆筒形），尺寸和壁厚。 6park.com
3. 炉子区域的划分。研究中把炉内圆筒型表面分成若干体积相等的圆通形区域。 6park.com
4. 建立各表面区域和端部区域的能量平衡方程组。每个表面的能量方程中，包括内热源（电阻丝发热），和与其他各表面的辐射热交换。方程组中的未知条件包括个侧面区域的电阻丝发热之以及端面区域表面温度。由此构成了恒温单晶热扩散炉炉内辐射传热数学模型。 6park.com
5. 恒温单晶热扩散炉炉内最佳供热热流分布的求解计算。 6park.com
根据恒温单晶热扩散炉炉内最佳供热热流分布的计算结果所设计的新的恒温单晶热扩散炉，其炉内有效长度从原来的炉内长度的1/2，增加了23% 至 32% [11]。 6park.com
  6park.com
参考文献  6park.com
1.尚德义，清华大学博士论文，《炉内辐射与自然对流耦合的换热研究》导师 ：王补宣1990年  6park.com
2. D.Y. Shang and B.X. Wang, Effect of variable thermophysical
properties on laminar free convection of gas, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.
33, No. 7, pp. 1387- 1395, 1990. 6park.com
3. D. Y. Shang and B. X. Wang, Effect of variable thermophysical
properties on laminar free convection of polyatomic gas, Int. J. Heat Mass
Transfer, Vol. 34, No.3, pp. 749-755, 1991. 6park.com
4. D. Y. Shang and B. X. Wang, Measurement on velocity of laminar
boundary layer for gas free convection along an isothermal vertical flat plat,
3rd UK National Conf on Heat Transfer / 1st European Conf on Thermal Sciences,
Sep. 16-18, 1992.  6park.com
5. M. Falkner and S.W. Skan, Some Approximate Solutions of the Boundary
Layer Equations, Phil. Mag, 12, pp. 865, 1931. 6park.com
6. G. Taton, T. Rok, E. Rokita， Temperature
distribution assessment during radiofrequency ablation，IFMBE
Proceedings 22, pp. 2672–2676, 2008；  6park.com
7. G. Taton, T. Rok, E. Rokita, Estimation of temperature distribution
with the use of a thermo- camera, Polish Journal of Medical Physics and
Engineering, Vol. 14, Issue 1, pp. 47-61, 2008. 6park.com
8． H.S. Takhar, A.J. Chamkha, G. Nath（H.S. Takhar, A.J. Chamkha, G. Nath, Effect of thermophysical
quantities on the natural convection flow of gases over a vertical cone,
International Journal of Engineering Science 42 (2004) 243–256） 6park.com
9. Al-Rashed, S, Siddiqa, N. Begum, and Md. A. Hossain. "Influence
of Variable Thermophysical Properties on Natural Convection Flow" ,
Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Ahead of Print : pp. 1-8
(http://dx.doi.org/10.2514/1.T5023)]。  6park.com
10. Y.Gao, Q.K.Liu, W.K.Chow, M.Wu, Analytical and experimental study on
multiple fire sources in a kitchen, Fire Safety Journal 63, pp. 101–112, 2014.） 6park.com
11. D.Y. Shang and J.Q. Xia, Study into optimum energy input in constant
temperature diffusion furnaces, Elektrowarme International, Edition B, No.3,
135-140, 1988. 6park.com
  6park.com
 6park.com