🧪 互动实验室

亲手拨动温度,看见热流

这里汇集了教材中所有可交互仿真。每一项都配"观察要点"——先猜结果,再拖动验证,传热学就从公式变成直觉。

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怎么做实验最有效

对每个仿真:① 先把所有滑块拨到极端,看输出量级;② 固定其他量,只动一个,确认单调趋势是否符合直觉;③ 用"合理性闸门"自检(如自然对流 h 远小于强制对流)。

实验 1 · 平板导热温度场

改变材料、厚度、面积与温差,观察温度梯度与热流。提示:把 k 调到铜(~400),再调到空气(~0.026),感受"热阻"的天壤之别。

交互

平板导热可视化

Q̇ = kAΔT/L。

导热热阻 R
热流速率 Q̇
热流密度 q̇

实验 2 · 三层复合壁温度分布

多层壁中温降沿热阻分配。把某一层换成金属(k 很大),看温降如何"跳"到别处。

交互

看温度如何逐层跌落

含两侧对流热阻的串联网络。

总热阻 R
热流 Q̇

实验 3 · 两表面辐射换热

辐射 ∝ T⁴。把 T₁ 从 500 调到 1000 K,感受热流的爆发式增长;再把发射率调到 0.1,看反射如何压制辐射。

交互

温度四次方的威力

Q̇ = σA(T₁⁴−T₂⁴)/(1/ε₁+1/ε₂−1)。

净辐射热流 Q̇

实验 4 · 集总冷却曲线

拖动时间滑块,看温度沿指数衰减。把 k 调小(如塑料)或 L_c 调大,观察 Bi 如何越过 0.1 阈值——此时集总法失效。

交互

集总参数冷却

Bi = hL_c/k < 0.1 时适用;τ = ρc_pL_c/h。

毕奥数 Bi
时间常数 τ
当前温度 T(t)

实验 5 · 对流工况浏览器

切换管内/平板模式,扫描 Re 与 Pr。观察 h 对 Re 的 0.8 次幂敏感度——这是强制对流"风量即性能"的根源。

交互

Re / Pr → Nu / h

Nu = hL/k。

工况
努塞尔数 Nu
换热系数 h

实验 6 · 翅片效率

提高 k 或减小 h,效率上升;但无限加长翅片收益递减。找到你这个工况下的"甜点长度"。

交互

翅片温度衰减与效率

η_fin = tanh(mL)/(mL),m=√(hP/kA_c)。

参数 m
翅片效率 η
翅片散热 Q

实验 7 · 边界层:速度层 vs 热层

拖动 Pr:看热边界层如何随物性收缩或膨胀。这是第 5 章核心直觉的可视化。

交互

Pr 决定层厚比

δ_t ≈ δ·Pr^(−1/3)。

实验 8 · 逆流换热器

给定工况,看 T–x 图与效能 ε。试试让冷流出口逼近热流入口——但记住,它不能越过

交互

LMTD / ε–NTU 速算

逆流单流程。

热/冷出口
换热量 Q̇
ΔTlm
NTU / ε

即将上线 · 更多仿真

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待补充:沸腾曲线仿真

核态沸腾 → 临界热流密度 → 膜态沸腾的交互探索。

🌡️

待补充:二维稳态导热数值解

有限差分法实时求解带内热源的二维温度场(可调网格)。