
这是一个非常好的问题,当然也是现在学术界没有解决的问题。
题主所提出的问题可以归纳为热对流的本质是什么?
事实上,现在传热学将热传递分为三种方式:热传导、热对流及热辐射。然而可惜的是这三种传热方式的建立都是唯象的,对于热量的内在传递过程至今没有统一的说法。
傅里叶导热定律是热传导理论的基础,近代的微观研究认为固体内部热传导是由于原子运动导致的晶格波或者是自由电子移动所引起的,反映在宏观上,是一种扩散的概念。然而傅里叶导热定律在极低温或极高热流密度时傅立叶不再适用,对于导热现象的统一理论还没有建立完全;
对流传热更是基于牛顿冷却定律的一种简化,认为流动传热与温差成正比。这种简化导致了现在传热学中对于不同流动场景下,各种经验公式的出现,而这些经验公式千差万别。这一方面是由于流动问题的复杂性引起的,在流动条件下,我们对NS方程还没有办法求解,何况叠加了传热方程。
普朗特的边界层理论认为在边界层内还存在一层粘性底层,而在粘性底层,由于粘滞力远远大于惯性力,在此区域热量是以热传导的形式进行的。这是一种假设,并没有得到证明。因此不能认为热传导和热对流的微观机制是一样的,热对流叠加了流体的宏观运动,在扩散的基础上,以流体流动的形式进行了热量输运。
将热对流划分为一种独立的传热方式也是不得已而为之。学术界当然想将传热学理论统一化,然而流动传热的耦合求解实在是太复杂,迫使研究者只能基于经验、假设去解释观察到的现象。
