冷卻系統課題研究方法

❶ 循環冷卻水系統的動態模擬試驗是什麼如何進行

循環冷卻水系統的動態模擬試驗是什麼？如何進行？動態模擬試驗是一種對循環冷卻水系統腐蝕、結垢狀況進行研究的測試方法。這種試驗裝置是動態的、有傳熱面的為單管或三管式熱交換器模擬生產上冷卻器的材質、壁溫和水流動狀態等是試驗室內評定水穩配方和工藝條件的一種較理想的綜合必測試方法試驗數據可為中試及現場使用提供依據。動態模擬試驗的參考流程如下圖：（1-涼水池；2- 循環水泵；3- 快速腐蝕測試阱電極；4- 轉子流速計；5- 掛片器；6- 試驗換熱管；7- 熱水浴；8- 冷卻塔；9- 掛片器；10- 測試阱電極；11- 送風機；12- 計量加葯器；13- 計量補水器；14- 計量排水器；15- 繼電器；16- Fc快速腐蝕測試儀；17- 電導率儀；18- PH計；19- 恆溫控制器；T1\T2\T3玻璃溫度計；T\T3觸點溫度計）試驗用水一般模擬生產現場冷卻水質進行配製有條件的可直接用現場水。試驗管採用∮101或∮192mm。設計管內水流速約1.0m/s,熱交換器入口水溫為25～45℃進出口水溫差約5℃入口水溫波動為0.02℃濃縮倍數為2～5倍。試驗周期一般7～14d,有的達一個月。試驗結速後對試管進行剖管檢查測定污垢熱阻平均值、不同溫度端的垢層厚度和點蝕數據、管及掛片的腐蝕率並對垢樣成分進行分析綜合判斷循環冷卻水的腐蝕和結垢傾向。動態模擬實驗一般要根據旋轉掛片、動態污後監測等試驗對配方篩選的初步結果選擇幾種配方和工藝條件的試驗與空白（不加葯）試驗進行對比比便篩選出最經濟合理的配方。因此往往需要進行多輪動態模擬試驗為節省試驗時間有的動態模擬試驗裝置往往設計成兩套或四套並聯可在一輪試驗中得出兩套或四套數據

❷ 發動機冷卻系統（水冷說詳細點）

概述
隨著發動機採用更加緊湊的設計和具有更大的比功率，發動機產生的廢熱密度也隨之明顯增大。一些關鍵區域，如排氣門周圍散熱問題需優先考慮，冷卻系統即便出現小的故障也可能在這樣的區域造成災難性的後果。發動機冷卻系統的散熱能力一般應滿足發動機滿負荷時的散熱需求，因為此時發動機產生的熱量最大。然而，在部分負荷時，冷卻系統會發生功率損失，水泵所提供的冷卻液流量超過所需的流量。我們希望發動機冷啟動時間盡可能短。因為發動機怠速時排放的污染物較多，油耗也大。冷卻系統的結構對發動機的冷啟動時間有較大的影響。
2 現代發動機冷卻系統的特點
傳統冷卻系統的作用是可靠地保護發動機，而還應具有改善燃料經濟性和降低排放的作用。為此，現代冷卻系統要綜合考慮下面的因素：發動機內部的摩擦損失；冷卻系統水泵的功率；燃燒邊界條件，如燃燒室溫度、充量密度、充量溫度。
先進的冷卻系統採用系統化、模塊化設計方法，統籌考慮每項影響因素，使冷卻系統既保證發動機正常工作，又提高發動機效率和減少排放。
2.1 溫度設定點
發動機工作溫度的極限值取決於排氣門周圍區域最高溫度。最理想的情況是按金屬溫度而不是冷卻液溫度控製冷卻系統，這樣才能更好地保護發動機。由於冷卻系統設定的冷卻溫度是以滿負荷時最大散熱率為基礎，因此，發動機和冷卻系統在部分負荷時處於不太理想狀態，如市區行駛和低速行駛時，會產生高油耗和排放。
通過改變冷卻液溫度設定點可改善發動機和冷卻系統在部分負荷時的性能。根據排氣門周圍區域溫度極限值，可升高或降低冷卻液或金屬溫度設定點。升高或降低溫度點都各有特點，這取決於希望達到的目的。
2.2 提高溫度設定點
提高工作溫度設定點是一種比較受歡迎的方法。提高溫度有許多優點，它直接影響發動機損耗和冷卻系統的效果以及發動機排放物的形成。提高工作溫度將提高發動機機油溫度，降低發動機摩擦磨損，降低發動機燃油消耗。
研究表明，發動機工作溫度對摩擦損失有很大影響。將冷卻液排出溫度提高到150℃，使氣缸溫度升高到195℃，油耗則下降4%-6%。將冷卻液溫度保持在90-115℃范圍內，使發動機機油的最高溫度為140℃，則油耗在部分負荷時下降10%。
提高工作溫度也明顯影響冷卻系統的效能。提高冷卻液或金屬溫度會改善發動機和散熱氣熱傳遞傳遞的效果，降低冷卻液的流速，減小水泵的額定功率，從而降低發動機的功率消耗。此外，可採用不同的方式，進一步減小冷卻液的流速。
2.3 降低溫度設定點
降低冷卻系統的工作溫度可提高發動機充氣效率，降低進氣溫度。這對燃燒過程、燃油效率及排放有利。降低溫度設定點可以節省發動機運行成本，提高部件使用壽命。
研究表明，若氣缸蓋溫度降低到50℃，點火提前角可提前3℃A而不發生爆震，充氣效率提高2%，發動機工作特性改善，有助於優化壓縮比和參數選擇，取得更好的燃油效率和排放性能。
2.4 精確冷卻系統
精確冷卻系統主要體現在冷卻水套的結構設計與冷卻液流速的設計中。在精確冷卻系統中，熱關鍵區，如排氣門周圍，冷卻液有較大的流速，熱傳遞效率高，冷卻液的溫度梯度變化小。這樣的效果來自縮小這些地方冷卻液通道的橫截面，提高流速，減少流量。
精確冷卻系統的設計關鍵在於確定冷卻水套的尺寸，選擇匹配的冷卻水泵，保證系統的散熱能力能夠滿足低速大負荷時關鍵區域工作溫度的需求。
發動機冷卻液流速的變化范圍相當大，從怠速時的1 m/s到最大功率時的5 m/s。故應將冷卻水套和冷卻系統整體考慮，相互補充，發揮最大潛力。
研究表明，採用精確冷卻系統，在發動機整個工作轉速范圍，冷卻液流量可下降40%。對氣缸蓋上冷卻水套的精確設計，可使普通冷卻道的流速從1.4m/s提高到4 m/s，大大提高氣缸蓋傳熱性，將氣缸蓋的金屬溫度降低到60℃。
2.5 分流式冷卻系統
分流式冷卻系統為另外一種冷卻系統。在這種冷卻系統中，氣缸蓋和氣缸體由各自的液流迴路冷卻，氣缸蓋和氣缸體具有不同的溫度。分流式的冷卻系統具備特有的優勢，可使發動機各部分在最優的溫度設定點工作。冷卻系統的整體效率達到最大。每個冷卻迴路將在不同冷卻溫度設定點或流速下工作，創造理想的發動機溫度分布。
理想的發動機熱工作狀態是氣缸蓋溫度較低而氣缸體溫度相對較高。氣缸蓋溫度較低可提高充氣效率，增大進氣量。溫度低且進氣量大可促進完全燃燒，降低CO，HC和NOx的形成，也提高輸出功率。較高氣缸體溫度會減小摩擦損失，直接改善燃油效率，間接地降低缸內峰值壓力和溫度。分流式冷卻系統可使缸蓋和缸體溫度相差100℃。氣缸溫度可高達150℃，而缸蓋溫度可降低50℃，減少缸體摩擦損失，降低油耗。較高的缸體溫度使油耗降低4%-6%，在部分負荷時HC降低20%-35%。節氣門全開時，缸蓋和缸體溫度設定值可調到50℃和90℃，從整體上改善燃油消耗、功率輸出和排放。
2.6 可控式發動機冷卻系統
傳統的發動機冷卻系統屬於被動式的，結構簡單或成本低。可控式冷卻系統可彌補目前冷卻系統的不足。現在冷卻系統的設計標準是解決滿負荷時的散熱問題，因而部分負荷時過大的散熱能力將導致發動機功率浪費。這對輕型車輛來說尤為明顯，這些車輛大多數時間都在市區內部分負荷下行駛，只利用部分發動機功率，引起冷卻系統較高損耗。為解決發動機在特殊情況下過熱的問題，現在的冷卻系統體積較大，導致冷卻效率降低，增大了冷卻系統的功率需求，延長了發動機暖機時間。可控式發動機冷卻系統一般包括感測器、執行器和電控模塊。可控式冷卻系統能夠根據發動機工作狀況調整冷卻量，降低發動機功率損耗。在可控式冷卻系統中，執行器為冷卻水泵和節溫器，一般由電動水泵和液流控制閥組成，可根據要求調整冷卻量。溫度感測器為系統的一部分，可迅速把發動機的熱狀態傳給控制器。
可控式裝置，如電動水泵，可將冷卻系溫度設定點從90℃提高到110℃，節省2%-5%的燃油，CO減少20%，HC減少10%。穩定狀態時，金屬溫度比傳統冷卻系統的高10℃，可控式冷卻系統具有較快的響應能力，可將冷卻溫度保持在設定點的±2℃范圍。從110℃下降到100℃只需2 s。發動機暖機時間減少到200s，冷卻系統工作范圍更貼近工作極限區域，能夠縮小發動機冷卻溫度和金屬溫度的波動范圍，減少循環熱負荷造成的金屬疲勞，延長部件壽命。
3 結論
前面介紹的幾種先進冷卻系統具有改善冷卻系統性能的潛力，能夠提高燃油經濟性和排放性能。冷卻系統的能控性是改善冷卻系統的關鍵，能控性表示對發動機結構保護的關鍵參數，如金屬溫度、冷卻液溫度和機油溫度等能夠控制，確保發動機在安全限度范圍內工作。冷卻系統能夠對不同工況作出快速反應，最大地節省燃料、降低排放，而不影響發動機整體性能。
從設計和使用性能角度看，分流式冷卻與精密冷卻相結合具有很好的發展前景，既能提供理想的發動機保護，又能提高燃油經濟性和排放性。這種結構有利於形成發動機理想的溫度分布。直接向氣缸蓋排氣門周圍供給冷卻液，減少了氣缸蓋溫度變化，使缸蓋溫度分布更加均勻，也能將機油和缸體溫度保持在設計的工作范圍，具有較低的摩擦損失和污染排放量。■
冷卻系統的功能及維護保養方法如下：
1、冷卻系統的功能，就是將發動機零件吸收的一部分熱量帶走，保證柴油發動機各零件維持在正常的溫度范圍內。
2、冷卻水應是不含溶解鹽的軟水，如清潔的河水、雨水等。不要用井水、泉水或海水等硬水，以防產生水垢，引起發動機散熱不良，氣缸過熱等問題發生。
3、用漏斗將冷卻水加入水箱時，應當防止水飛濺到發動機與散熱器上，防止散熱片和機體上積塵、弄臟，影響冷卻效果。
4、若因發動機缺水而引起溫度過高時，不能馬上加水，應使發動機慢速運轉10—15分鍾，等溫度稍降低後，在發動機不息火的情況下慢慢加入冷卻水。
5、冬季，水箱內應加熱水。啟動後應慢速運轉至水溫超過40度時才能工作。工作結束後，必須放盡冷卻水。
6、要定期清除水箱內的水垢，對風冷發動機的散熱片要經常擦洗污泥、臟垢。散熱片不可損壞，若損壞後要及時更換，以免影響散熱效果。

❸ 製冷製冷技術研究內容

製冷技術的研究主要包括三個核心領域：

首先，研究如何獲取低溫以及其背後的機理，以及相關的製冷循環。這是為製冷機選擇和優化工作介質的關鍵，因為機械製冷的實現依賴於製冷劑熱力狀態的轉換。

其次，製冷劑的性質研究至關重要。其熱物理性質，如比熱容、沸點、冷凝點等，是進行製冷循環分析和設計的基礎數據。此外，製冷劑的一般物理化學性質，包括其工作原理、性能評估和結構設計，也需要深入研究，以確保其在實際應用中的穩定和高效。

最後，研究製冷循環過程中所需的各類機械和技術設備，如壓縮機、膨脹閥、蒸發器等，以及製冷裝置的流程組織和系統設計。同時，關注熱絕緣技術，以提高設備的能效，以及製冷裝置的自動化控制，這些也是製冷技術研究的重要組成部分。

綜合以上內容，製冷技術的研究旨在通過深入理解低溫獲取方法、製冷劑特性以及相關設備和系統，來提升製冷系統的性能和效率。
(3)冷卻系統課題研究方法擴展閱讀

即致冷，又稱冷凍，將物體溫度降低到或維持在自然環境溫度以下。實現製冷的途徑有兩種，一是天然冷卻，一是人工製冷。天然冷卻利用天然冰或深井水冷卻物體，但其製冷量（即從被冷卻物體取走的熱量）和可能達到的製冷溫度往往不能滿足生產需要。天然冷卻是一傳熱過程。人工製冷是利用製冷設備加入能量，使熱量從低溫物體向高溫物體轉移的一種屬於熱力學過程的單元操作。

❹ 插電式混合動力車輛冷卻系統模擬新方法

針對2025年款車輛，美國環保署(EPA)2017—2025法規已經將公司平均燃油經濟性(CAFE)的要求提高了33%。與之類似，歐盟也制訂了與CO2減排有關的目標，要求2021年後面世車輛的CO2排放減少27%(相較於2015年目標)。這些排放限制使大多數原始設備製造商(OEM)的注意力轉向了混合動力電動車輛。很多汽車製造商已經基於現有車型開始研究插電式混合動力車輛(PHEV)。相較於通過內燃機驅動的車輛，混合動力電動車輛具有更低的排放和更高的燃油經濟性。除傳統冷卻液消耗組件外，PHEV車輛結構還包含額外的電氣組件。所有這些附加組件對冷卻液流量的需求在實現高效運行和冷卻液流量平衡方面極具挑戰性。當前研究的主要工作是在一維環境中利用FloMASTER?軟體模擬PHEV冷卻系統，實現車輛內所有冷卻液消耗組件的流量分布可視化。利用現有車輛試驗數據驗證了一維冷卻液網路。為模擬實際駕駛條件，還採用標准測試循環進行了瞬態模擬。試驗數據與試驗值關聯性良好，且偏差不超過10%。

隨著社會各界對降低車輛燃油耗和改變車輛排放方式的關注度持續增加，由燃料電池或電能提供動力的混合動力車輛的開發被提上日程。混合動力電動車輛作為傳統車輛與純電動車輛之間的橋梁，具有多種組合方式，如串聯式、並聯式和混聯式。插電式混合動力車輛(PHEV)是混合動力汽車的1個細分種類，在無需內燃機輔助的條件下，僅利用可充電式電池組驅動電動機就可驅動車輛。內燃機還存在於PHEV中，在電池電量完全耗盡時用於驅動車輛。輔助任務需要採用的電池組和額外電子元器件必須布設在有限的車輛空間內。這些零部件的布置不能與發動機距離過近，這是因為其工作溫度低於發動機的工作溫度。由於這些零部件能夠產生大量的熱量，因此將其作為1個緊湊的熱源需要專門設計冷卻系統對其進行主動冷卻。

Park等開展了基於混合動力電動車輛冷卻系統的熱分析，並研究了附加硬體對冷卻系統性能的影響。他指出了有關冷卻模塊位置和尺寸變化的一些問題。Mehmoud等分析了氣體迴路、冷卻液迴路、機油迴路和發動機結構，以及這些迴路/組件在車輛駕駛條件下的相互作用。該系統能准確預測發動機熱流、發動機組件溫度、不同位置的機油溫度、冷卻迴路中每個組件的冷卻液溫度、燃燒導致的放熱、機械摩擦導致的放熱、燃油耗、氮氧化物(NOx)排放、功率、平均有效壓力等參數。Gu等根據一維流動和傳熱理論建立了1個發動機冷卻系統模型，並利用試驗數據對其進行了驗證。Kim等討論了能縮短發動機預熱時間從而降低燃油耗和發動機排放的主動冷卻控制策略。Masjuki等比較了加壓空氣與散熱器風扇產生氣流的空氣流動方式，討論了車輛在熄火後延長散熱器風扇和冷卻液泵工作時間對系統的影響，還討論了採用電動泵取代機械泵的方案。試驗結果顯示，加壓空氣比帶冷卻風扇的氣流具有更強的散熱能力。Nessim等討論了1套先進的熱管理系統並介紹了該系統相對於傳統冷卻系統的優勢。Bassett等介紹了基於增程式混合動力電動車輛(REEV)演示驗證PHEV樣車研究，提出了1個經過改造的冷卻系統，並介紹了REEV演示驗證樣車冷卻迴路特性的初始測量結果。Weustenfeld等介紹了旨在傳遞組件間熱量的熱管理策略，闡述了在冬季與夏季環境下的模擬結果。該策略最多可識別出14種有效工作模式，並通過計算每一種工作模式的總有效時間來劃分重要度等級。Pathuri等進行了針對系統性能評價的發動機冷卻模擬,還嘗試了不同的散熱器風扇設計以預測空氣流量。Hung等通過評價新型混合流動比(HFR)和性能指標單位散熱率(SHD)，從而提高系統效率和降低能耗。其中，混合熱管理系統通過比例閥、電控風扇和冷卻液泵以實現對溫度的控制。

根據車輛熱系統一維模擬的文獻檢索可知，PHEV根據冷卻系統模擬方面的內容還是空白。當前研究側重模擬具有3種冷卻迴路(分別基於各自工作溫度)的PHEV冷卻系統。研究人員利用FloMASTER?軟體，採用一維模擬方法對冷卻迴路進行了模擬。

1車輛冷卻系統

對於以內燃機作為主要驅動力的傳統車輛，其冷卻迴路由散熱器和加熱器組成，部分車型帶有發動機機油冷卻器(EOC)。針對該研究中的PHEV，在其迴路中添加了1個電動冷卻液加熱器，用作車輛在電池耗盡模式下運行時的熱源。當發動機處於停機狀態時，負責驅動冷卻系統中冷卻液流動的主機械泵同樣也會停止工作，因此需要採用1個電輔助泵驅動冷卻液流動。PHEV冷卻液流動的高溫迴路、電池迴路及低溫迴路結構示意圖見圖1和圖2。該冷卻系統還具有帶前置(FHTR)和後置加熱器(RHTR)的雙空調系統。

4結論

通過對PHEV車輛冷卻系統的模擬，介紹了PHEV冷卻系統的模擬方法。採用試驗台和車輛級試驗驗證了一維模型。結果顯示，所有環境溫度條件下的模擬結果與車輛試驗結果關聯性良好。對冷卻系統進行了高溫迴路發動機機油冷卻器、前置加熱器和置加熱器，以及低溫迴路散熱器、功率逆變器模塊和輔助動力模塊的穩態關聯性研究。針對高環境溫度、中等環境溫度和低環境溫度駕駛循環，進行了電池、輔助動力模塊、功率逆變器模塊和電動冷卻液加熱器的瞬態分析關聯性研究。根據該試驗方法可以開發1套模擬其他PHEV車輛冷卻系統的標准操作程序，可使PHEV實現高效運行且具有良好的冷卻液流量平衡。在概念設計的早期階段實施這些模擬有助於研發人員根據流量分布和流量平衡進行快速決策。此外，該模擬設計還有助於在折中處理過程中通過改變管件實現緊湊結構設計。

註：本文發表於《汽車與新動力》雜志2020年第2期

作者：[印度]M.VARMA等

整理：田永海

編輯：虞展

本文來源於汽車之家車家號作者，不代表汽車之家的觀點立場。

❺ 冷卻定律的探究報告

牛頓冷卻定律（Newton's law of cooling)：溫度高於周圍環境的物體向周圍媒質傳遞熱量逐漸冷卻時所遵循的規律。當物體表面與周圍存在溫度差時，單位時間從單位面積散失的熱量與溫度差成正比，比例系數稱為熱傳遞系數。牛頓冷卻定律是牛頓在1701年用實驗確定的，在強制對流時與實際符合較好，在自然對流時只在溫度差不太大時才成立。
是傳熱學的基本定律之一，用於計算對流熱量的多少。
如圖所示：
溫差Δt＝|tw-tf|
q＝hΔt
Φ＝qA＝AhΔt＝Δt/(1/hA)
其中的1/hA 稱為對流傳熱熱阻
字母代碼：
q為熱流密度
h為物質的對流傳熱系數
Φ為傳熱量A為傳熱面積
一個熱的物體的冷卻速度與該物體和周圍環境的溫度差成正比。
即 -dT/dt=(T-Tc)/τ
式中，
-dT/dt——物體的溫度隨時間下降的速度，負號表示物體的溫度是下降的
τ——物體的溫度從T 下降到環境溫度Tc實際所需要的弛豫時間
在微分條件下，-dT/dt和(T-Tc)/τ
是微線性關系。這是微線性思維的典範之一。
牛頓冷卻定律的這個微分方程沒有考慮物體的性質，所以這不是物性方程式。它只是關於一個假想物體，其溫度隨時間單純下降的一個數學微分方程。與其叫「牛頓冷卻定律」，毋寧叫「牛頓冷卻定理」更准確。不過，這個明顯的缺點，反而是最大的優點。它的無比抽象性在宣告：「這是任何物體冷卻的共同遵守的數學規律！」。
實驗表明，物體的溫度隨時間下降的速度和物體的結構以及理化性質並非完全無關。尤其是急速冷卻的條件下，我們可以修改線性「牛頓冷卻定理」，給它添加若干個非線性的項就可以了解決實際問題了。
這也告訴我們上面的微線性牛頓冷卻定律至少不適用於描寫那些急速溫度變化的物理現象。
解方程可得牛頓冷卻定律的積分形式為
Δt=t-to=τln(To-Tc)/(T-Tc)
或者 exp(Δt/τ)=To-Tc/T-Tc
式中，To——為物體在初始時刻to的溫度
Δt>0,這是必然的。為此，必然有 To>T>Tc 。
這就是說，物體的起始溫度To必然大於它最後的冷卻溫度T；物體最後的冷卻溫度T不能比環境溫度更低Tc，而且也不能被冷卻到和環境溫度一樣低。我們可以假設最後的冷卻溫度非常接近環境溫度，
這時，T-Tc=ΔT，ΔT>0,且ΔT→0。也就是說，溫度ΔT是一個極小的正值。
設熱水的冷卻方程為：exp(Δt/τ)=To-Tc/T-Tc
設冷水的冷卻方程為：exp(Δt`/τ`)=To`-Tc`/T`-Tc`
假設，熱水和冷水的起始時刻一致to=to`，冷卻的環境溫度一致Tc=Tc`，熱水比冷水的起始溫度高，To>To`，熱水和冷水最後的狀態幾乎一致，即熱水和冷水最後的溫度與環境的溫度差無窮逼近——即近似相等，ΔT=T-Tc=ΔT`=T`-Tc 。
熱水和冷水方程之比：exp(Δt/τ)/exp(Δt`/τ`)=To-Tc/To`-Tc
=exp(C)>1 (即 C>0)
於是，Δt/τ - Δt`/τ` = C
Δt=(τ/τ`)Δt`+ C
這是一個截距和斜率都為正值的直線方程，
如果熱水比冷水先結冰，Δt<Δt`，必須有 τ<τ` 。即斜率τ/τ`<1。
如果冷水比先熱水結冰，Δt>Δt`，必須有 τ>τ` 。即斜率τ/τ`>1。
這個結果表明：牛頓冷卻定律並不能直接用來判斷熱水和冷水誰先結冰。
而且熱水和冷水無論誰先結冰，都不會影響牛頓冷卻定律的正確
性。
一、中學生姆潘巴的精心觀察對權威的牛頓冷卻定律提出挑戰
我（姆潘巴）在坦尚尼亞的馬乾巴中學讀三年級時，校中的孩子們做冰淇淋總是先煮沸牛奶，待到冷卻後再倒入冰盤，放進電冰箱。為了爭得電冰箱的最後一隻冰盤，我決心冒著弄壞電冰箱的風險而把熱牛奶放進去了。一個多小時以後，我們打開電冰箱，裡面出現了驚人的奇跡：我的冰盤里的熱牛奶已結成堅硬的冰塊，而他們的冰里還是稠稠的液體。我飛快地跑去問物理老師，他淡淡地回答說：「這樣的事一定不會發生。」
進入高中後，在學習牛頓冷卻定律時，我又問物理老師，他同樣輕率地否定了我的觀察。我繼續述說我的理由，可老師不願意聽，在一旁的同學們也幫著老師質問我：「你究竟相不相信牛頓冷卻定律？」我只好為自己辯解：「可定律與我觀察的事實不符嘛！」在同學們的訕笑聲中，老師帶著無可奈何的神情說道：「你說的這些就叫做姆潘巴的物理吧！」從此以後，「姆潘巴的物理」便成了我的綽號，只要我做錯一點，同學們就馬上說「這是姆潘巴的什麼……。」盡管如此，我仍然堅信我的觀察是正確的，其中可能包含著更為深刻的道理。
就在這一年，坦尚尼亞最高學府達累斯薩拉姆大學物理系系主任奧斯波恩博士來我校訪問，我決心求助於博士，我向他講述了我的奇遇。他先是笑了一下，然後認真地聽取了我的復述，博士回校後親自動手並觀察到了同一事實。他高度評價了我的觀察，他說：「姆潘巴的觀察，事實上提出了權威物理學家可能遇到的危險，同時也對物理教師提出了一個感興趣的問題。」
博士邀請我聯名發表一篇論文，登載於《英國教育》，對熱牛奶在電冰箱中先行凍結的現象作了介紹和解釋。其主要內容是：
1．把牛奶換成水以後再進行觀察，發現電冰箱中的熱水仍在冷水之前凍結成冰。
2．把熱水放入電冰箱冷卻時，水的上表面（S）與底部（B）之間存在著顯著的溫度差。緩慢冷卻時的溫度差幾乎是觀察不到的。圖1-1是初始溫度分別為70℃（實線）和47℃（虛線）的水的S-B溫度差隨時間變化的觀測記錄圖。從圖中可看出，初始時，上表面與底部不存在溫度差，但一經急劇冷卻，溫度差就立即出現，其中初溫為70℃的水內產生的最高溫度差接近14℃,而初溫為47℃的水內產生的最高溫度差只有10℃左右，這就是我們所觀察到的冷、熱水在急劇冷卻時的重大差別。
在以上定量觀測的基礎上，我們對熱牛奶（或熱水）先凍結的現象作出如下解釋：
1．冷卻的快慢不是由液體的平均溫度決定的，而是由液體上表面與底部的溫度差決定的，熱牛奶急劇冷卻時，這種溫度差較大，而且在整個凍結前的降溫過程中，熱牛奶的溫度差一直大於冷牛奶的溫度差。
2．上表面的溫度愈高，從上表面散發的熱量就愈多，因而降溫就愈快。
基於以上兩方面的理由，熱牛奶以更高的速度冷卻著，這便是熱牛奶先凍結的秘密。
除了作出熱牛奶先凍結的解釋外，我們還大膽地類推出一個有趣的「猜想」：在發生嚴重冰凍的日子裡，熱水管應該先於冷水管發生凍結，是不是這樣呢？由於我們生活在赤道附近的坦尚尼亞，這里氣候四季炎熱，難以觀察到這十分有趣的現象，歡迎能觀察到這一現象的中學朋友們，為我們提供信息，共同討論。
自從我們的文章發表後，世界上很多科學雜志都刊登了這一自然現象，認為這是對牛頓冷卻定律的嚴峻挑戰。而且還以我的名字把這一自然現象命名為「姆潘巴效應」。這真叫人不好意思呀！
二、反思
中學生姆潘巴觀察到的現象，可能好多人都遇到過，但是為什麼會發生姆潘巴的同學不相信，老師不相信，甚至連物理學博士聽後也還是「先笑了一下」呢？他們可能是這樣思考的：
冷牛奶從初溫開媽到凍結所需時間為t1，熱牛奶冷卻到初溫所需時間t2，則熱牛奶從初溫開始到凍結所需的全部時間為t1+t2。
顯然有（t1+t2）>t1.
由上式可以推導出如下結論：熱牛奶先凍結的現象不可能發生。
如果發生了熱牛奶先凍結的現象，則必然導出（t1+t2）<t1的結論，這似乎是荒謬的。
正因為上述貌似正確的推理支配著人們的頭腦，所以不少的人不但自己不去觀察，甚至連別人觀察到的事實也不敢相信。這種不尊重觀察的態度，往往使真理從自己的鼻尖下面悄悄溜走，這難道不值得立志從事科研工作的人們引以為戒嗎？
事實上，在一般實驗條件下，熱水會比冷水更快結冰。這種現象違反直覺，甚至連很多科學家也感到驚訝。但它的確是真的，曾在很多實驗觀察和研究過。雖然在經過亞里斯多德、培根，和笛卡兒 [1- 3] 三人的介紹後，此現象已被發現了幾個世紀，但卻一直沒有被引入現代科學。直至1969年，才由坦尚尼亞的一間中學的一個名叫 Mpemba 的學生引入現代科學。這個效應早期發現史，和後期 Mpemba 再發現的故事－－尤其是後者，都是充滿戲劇性的寓言。寓意人們在判斷什麼是不可能時，別過於倉促。這一點，下面會說到。
熱水比冷水更快結冰的現象通常叫「Mpemba 效應」。無疑地，很多讀者對這一點很懷疑，因此，有必要先明確地指出，什麼是 Mpemba 效應。有兩個形狀一樣的杯，裝著相同體積的水，唯一的分別是水的溫度。現在將兩杯水在相同的環境下冷卻。在某些條件下，初溫較高的水會先結冰，但並不是在任何情況下，都會這樣。例如，99.9° C 的熱水和 0.01° C 的冷水，這樣，冷水會先結冰。Mpemba 效應並不是在任何的初始溫度、容器形狀、和冷卻條件下，都可看到。
這似乎是不可能的，不少敏銳的讀者可能已經想出一個方法，去證明它不可能。這種證明通常是這樣的： 30° C 的水降溫至結冰要花 10 分鍾， 70° C 的水必須先花一段時間，降至 30° C，然之後再花 10 分鍾降溫至結冰。由於冷水必須做過的事，熱水也必須做，所以熱水結冰較慢。這種證明有錯嗎？
這種證明錯在，它暗中假設了水的結冰只受平均溫度影響。但事實上，除了平均溫度，其它因素也很重要。一杯初始溫度均勻，70° C 的水，冷卻到平均溫度為 30° C 的水，水已發生了改變，不同於那杯初始溫度均勻，30° C 的水。前者有較少質量，溶解氣體和對流，造成溫度分布不均。這些因素亦會改變冰箱內，容器周圍的環境。下面會分別考慮這四個因素。所以前面的那種證明是行不通的，事實上，Mpemba 效應已在很多受控實驗中觀察到 [5,7-14]。
這種現象的發生機制，仍然沒有得確切的了解。雖然有很多可能的解釋已被提出過，但到目前為止，還沒有一個實驗可以清晰地顯示它的機制。如果有的話，這實驗就十分重要了。你可能會聽到有人很自信地說，X 是 Mpemba 效應的原因。這些說法通常都是基於猜測，或只看著小量文獻的證據，而忽略其它。當然，有根據地猜測，和選擇你信賴的實驗結果，是沒錯的。問題是，對於什麼是 X，不同的人提出不同的說法。
為什麼現代科學不回答這個看起來很簡單的結冰問題？主要的問題是，水結冰所花的時間的長短，對實驗設計中的很多因素，都是很敏感的。例子容器的形狀和大小、冰箱的形狀和大小、水中氣體和其它雜質、結冰時間的定義，等等。因為這種敏感性，即使有實驗支持 Mpemba 效應的存在，但不能支持在這些條件之外， Mpemba 效應的發生和發生的原因。正如 Firth [7] 所講「這個問題有太多的變數，以致任何從事這項研究的實驗室，一定會得出和其它實驗室不同的結果。」
所以，由於做過的實驗不多，而且常常在不同的實驗條件下，所提出過的機制中，沒有一個能很有信心地被宣稱，就是「那個」機制。在上面我們提到的那四個因素，熱水冷卻到冷水的初始溫度，會有變化。下面是這四個相關機制的簡單描述，它們被認同能解釋 Mpemba 效應。抱負不凡的的讀者可以跟著那些連結，獲得更完整的解釋，相反的論調，和用這些機制解釋不了的實驗。似乎並沒有一個機制，能解釋在所有情況下的 Mpemba 效應，但不同的機制在不同的條件下是重要的。
1. 蒸發——在熱水冷卻到冷水的初溫的過程中，熱水由於蒸發會失去一部分水。質量較少，令水較容易冷卻和結冰。這樣熱水就可能較冷水早結冰，但冰量較少。如果我們假設水只透過蒸發去失熱，理論計算能顯示蒸發能解釋 Mpemba 效應 [11]。 這個解釋是可信的和很直覺的，蒸發的確是很重要的一個因素。然而，這不是唯一的機制。蒸發不能解釋在一個封閉容器內做的實驗，在封閉的容器，沒有水蒸氣能離開 [12]。很多科學家聲稱，單是蒸發，不足以解釋他們所做的實驗 [5,9,12]。
2. 溶解氣體——熱水比冷水能夠留住較少溶解氣體，隨著沸騰，大量氣體會逃出水面。溶解氣體會改變水的性質。或者令它較易形成對流（因而令它較易冷卻），或減少令單位質量的水結冰所需的熱量，又或改變凝固點。有一些實驗支持這種解釋 [10,14]，但沒有理論計算的支持。
3. 對流——由於冷卻，水會形成對流，和不均勻的溫度分布。溫度上升，水的密度就會下降，所以水的表面比水底部熱——叫「hot top」。如果水 主要透過表面失熱，那麼「hot top」的水失熱會比溫度均勻的快。當熱水冷卻到冷水的初溫時，它會有一「hot top」因此與平均溫度相同，但溫度均勻的水相比，它的冷卻速率會較快。能跟上嗎？你可能想重看這一段 ，小心區分初溫、平均溫度，和溫度。雖然在實驗中，能看到「hot top」和相關的對流，但對流能否解釋 Mpemba 效應，仍是未知。
4. 周圍的事物——兩杯水的最後的一個分別，與它們自己無關，而與它們周圍的環境有關。初溫較高的水可能會以復雜的方式，改變它周圍的環境，從而影響到冷卻過程。例如，如果這杯水是放在一層霜上面，霜的導熱性能很差。熱水可能會熔化這層霜，從而為自己創立了一個較好的冷卻系統。明顯地，這樣的解釋不夠一般性，很多實驗都不會將容器放在霜層上。
最後[supercooling]在此效應上，可能是重要的。[supercooling]現象出現在水在低於 0° C 時才結冰的情形。有一個實驗 [12] 發現，熱水比冷水較少會[supercooling]。這意味著熱水會先結冰，因為它在較高的溫度下結冰。即使這是真的，也不能完成解釋 Mpemba 效應，因為我們仍需解釋為什麼熱水較少會[supercooling]。
簡單地說，在很多情況下，熱水較冷水先結冰。這並非不可能，在很多實驗中已觀察到。然而，盡管有很多說法，但仍沒有一個很好的解釋。有不同的機制曾被提出，但這些實驗證據都不是決定性的。