傳熱學第五章答案

1、第五章0()h(twtf)(5 4)h(211)2 17）有什么區(qū)另h是未知量，而式（2 -17）中的h是作為已知的邊界條件給出,此外（2 17）中的為固體導熱系數(shù)而此式為流體導熱系數(shù)，式（5 4）將用來導出復習題1、試用簡明的語言說明熱邊界層的概念。答：在壁面附近的一個薄層內(nèi)，流體溫度在壁面的法線方向上發(fā)生劇烈變化，而在此 薄層之外，流體的溫 度梯度兒乎為零，固體表面附近流體溫度發(fā)生劇烈變化的這一薄層稱為 溫度邊界層或熱邊界層。2、與完全的能量方程相比，邊界層能量方程最重要的特點是什么？2/2答：與完全的能量方程相比，它忽略了主流方向溫度的次變化率適用于邊界層內(nèi)，A/ X ,因此僅不適用整個

2、流體。3、式（5-4）與導熱問題的第三類邊界條件式（h答：式（54）中的-個包括h的無量綱數(shù),5-1、對于流體外標平板的流動,試用數(shù)量級分析的方法，從動量方程引出邊界層厚度的如下變化關系式:只是局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而整個換熱表面的表面系數(shù)應該把牛頓冷卻公式應用到整個表面而得出。4、式（5-4）表面，在邊界上垂直壁面的熱量傳遞完全依靠導熱，那么在對流換熱中，流體的流動起什么作用？答：固體表面所形成的邊界層的厚度除了與流體的粘性有關外還與主流區(qū)的速度有關，流動速度越大，邊界 層越薄，因此導熱的熱阻也就越小，因此起到影響傳熱大小5、對流換熱問題完整的數(shù)字描述應包括什么內(nèi)容？既 然對大多數(shù)實際對流傳熱問

3、題尚無法 求得其精確解，那么建立對流換熱問題的數(shù)字描述有什么意義？答：對流換熱問題完整的數(shù)字描述應包括：對流換熱微分方程組及定解條件，定解條件包括，（1）初始條件（2）邊界條件（速度、壓力及溫度）建立對流換熱問題的數(shù)字描述目的在于找出影響對流換熱中各物理量之 間的相互制約關系，每一種關系都必須滿足動量，能量和質(zhì)量守恒關系，避免在研究遺漏某種物理因素。 基本概念與定性分析解：對于流體外標平板的流動，其動量方程為:U _L 4 _L rj x y dx xy根據(jù)數(shù)量級的關系，主流方的數(shù)量級為b y方線的數(shù)量級為則有從上式可以看出等式左側(cè)的數(shù)量級為1級，那么，等式右側(cè)也是數(shù)量級為1級,為使等式是數(shù)量

4、級為1,則V必須是2量級。X從量級看為1級fU X量級1兩量的數(shù)量級相同，所以X與J忒 成比例5-2、對于油、空氣及液態(tài)金屬，分別有1 Pr 1 Pr，試就外標等溫平板的層流流動，畫出三種流體邊界層中速度分布和溫度分布的大致圖象的相對大小）。解：如下圖:Hr mlPr 5-3、已知：如圖，流體在兩平行平板間作層流充分發(fā)展對流換熱。求：畫出下列三種情形下充分發(fā)展區(qū)域截面上的流體溫度分布曲線:q 2qwl w2 ;q wl解：如下圖形:5-4、已知：某一電子器件的外殼可以簡化成如圖所示形狀。th tc 求：定性地畫出空腔截面上空氣流動的圖像。5-5、已知：輸送大電流的導線稱為母線，一種母線的截而形

5、狀如圖所示，內(nèi)管為導體,其中通以大電流，外管起保護導體的作用。設母線水平走向，內(nèi)外管間充滿空氣。求：分析內(nèi)管中所產(chǎn)生的熱量是怎樣散失到周圍環(huán)境的。并定性地畫出截面上空氣流動的圖像。解：散熱方式：（1）環(huán)形空間中的空氣自然對流（2）內(nèi)環(huán)與外環(huán)表面間的輻射換熱。5-6、已知：如圖，高速飛行部件中廣泛采用的鈍體是一個軸對稱的物體。求：畫出鈍體表面上沿X方向的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大致圖像，并分析滯止點s附近邊界層流動的狀態(tài)。（層流或湍流）。解：在外掠鈍體的對流換熱中，滯止點處的換熱強度是很高的。該處的流動兒乎總處層流狀態(tài)，對流換熱的強烈程度隨離開滯止點距離的增加而下降。5-7.溫度為80 C的平板置于來

6、流溫度為20 C的氣流中.假設平板表面中某點在垂直于壁面方向的溫度梯度為40 c/mm,試確定該處的熱流密度.邊界層概念及分析5-8、已知：介質(zhì)為25C的空氣、水及14號潤滑油，外掠平板邊界層的流動由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯撵`界雷諾數(shù)Rec5 10 u lm/s求：以上二種介質(zhì)達到時所需的平板長度。解：（1） 25C的空氣V =15.5310 6 m2 /s105=15.53 10x=7. 765m(2) 25C的水v 0. 9055 IO6 m2 /sx=0. 45275m（3） 14號潤滑油v 313.710 6m2/sx=156. 85m5-9、己知：20C的水以2m/s的流速平行地流過一塊平板

7、，邊界層內(nèi)的流速為三次多項 式分布。解：20C的水v 1. 00610 6m7s(1)x=10cm=0. lmRe數(shù)叭(522)4. 6沖4. 6406106Uye)3質(zhì)量流量（以垂直于流動方向的單位寬度計）求：計算離開平板前緣10cm及20cm處的流動邊界層厚度及兩截面上邊界層內(nèi)流體的2m/ s2 0.016100 1 0 =1QQQA ” /I、壬荷浦殺詫1. 0406 10 mudvudyu7udy3(-f J；1 y14產(chǎn)8=998.2=1. 2982Va /(2) x=20cm=0. 2mRex2 0. 021. 006 106 =39761. 43（為盡流）*f6 006 104.

8、 64 F 4.64打2-1.4710 3m uxdy 998 20 _51.834 1/ 2kg/m5-10、已知：如圖，兩無限大平板之間的流體, 計流體中由于粘性而引起的機械能向熱能的轉(zhuǎn)換。由于上板運動而引起的層流粘性流動稱 為庫埃流。不求：流體的速度與溫度分布。解：(1)動量方程式簡化為dpdxd2udy2y=H,為上板dpdx0。積分兩次并代入邊界條件得_y_H o(2)不計及由于粘性而引起機械能向熱能的轉(zhuǎn)換,能量方程為:2tA 0因而得dy2,對于所研究的情形,t twly=0,y=H/,由此得tw2ytwl5-11、已知：如圖，外掠平板的邊界層的動量方程式為:2u2V O求：沿y方

9、向作積分(從y=0到)導出邊界層的動量積分方程。解：任一截面做y二0到y(tǒng)的積分U ,dy2Udy vdy y o y根據(jù)邊界層概念故在該處su2udy則有sv-dyo yvjdyv- dy其中o y由連續(xù)行方程可得一dyV- dyu-dy所以o 7o s02u 0 uVHy又因為八Zy代入(3)o Xu .dy A uu x-dydxou dyx7 u udydx祐:卄決曰砧知旦I 七工EI斗5-12、已知：1. 013 10 Pa、nv00 C的空氣以v=100m/s的速度流過一塊平板，平板溫度為30Co求：離開平板前緣3cm及6cm處邊界層上的法向速度、流動邊界層及熱邊界層厚度、部切應力和

10、局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、平均阻力系數(shù)和平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解：定性溫度諭0. 0293W/(l)x 3cm 處,v 100動量邊界層厚度pv 13 t Pr10030RexPr65c0. 695,19.5x 106 1. 53819. 50. 87/1. 538 1054. 64 0. 030. 695 13 0. 35511210 6m2/s1050. 221 Sm/s?512pr m5 n 2砧mm0. 398mm31.045ks/ITln0. 320.熾似5曲861kg/ms2JI. 538 105hx0. 332 Re?20332斗 38 105695 112 6Wm2 K鬻施0Prn 3比擬

11、理論5-13來流溫度為20 C、速度為4m/s空氣沿著平板流動，在距離前沿點為2m處的局部切應力為多大？如果平板溫度為50 C,該處的對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是多少？5-14 .實驗測得一置于水中的平板某點的切應力為15C與60C,1. 5Pa.如果水溫與平板溫度分別為試計算當?shù)氐木植繜崃髅芏?2m5-15 .溫度為160C、流速為4m/s的空氣流過溫度為30C的平板.在離開前沿點為處測得局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為14915/。試計算該處的Rex, Nu X, Stx, j ,Cf之值.5-16、己知：將一塊尺寸為0. 2m 0. 2m的薄平板平行地置于由風洞造成的均勻氣體流場中。在氣流速度1150a/s

12、的情況下用測力儀測得，要使平板維持在氣流中需對它施加0. 075N的力。此時氣流溫度C,平板兩平面的溫度Co氣體壓力為1.013 103Pae求：試據(jù)比擬理論確定平板兩個表面的對流換熱量。0. 075/20. 9375N /nT 0. 9375Pa解：0.2 0.2,邊界層中空氣定性溫度為70 c,物性：1. 029kg / m3 , CP 1009J / kg / K 20. 02 106m2/s , Pr 0. 694利用 Ch訂to n-Colburn 比擬：Cf-9/Cf 110.9375“I Cfh _ 2/3StPr22 u /221.02940725- 6910, jhrCfu

13、CP Pr2/35. 69 10 41. 029 4010090.6942/323.61.2762“21W/ m k2hAtw t23. 01 0. 22120 20240. 9W這說明Chilto n-Colburn比擬對層流運動也是適用的，即適用于平均值也適用于局部值。工程應用5-17 . 一飛機在10000m高空飛行，時速為600km/h .該處溫度為-40 C.把機翼當成一塊平板，試確定離開機翼前沿點多遠的位置上，空氣的流動為充分發(fā)展的湍流？空氣當作干空氣處理.5-18 .將一條長度為原型1/4的潛水艇模型放在一閉式風洞中進行阻力試驗.潛水艇水下的最大航速為16m/s,風洞內(nèi)氣體的壓力為6 105 Pa,模型長3m,使確定試驗時最大的風速應為多少？潛水艇在水下工作，風洞中的阻力試驗結(jié)果能否用于水下工作的潛水艇?5-19一火車以25m/s的速度前進，受到140N的切應力它由1節(jié)機車及11節(jié)客車車廂組成將每節(jié)車廂都看成是由四個平板所組成,車廂的尺寸為9 （長）3m 2. 5m （寬）不計各節(jié)車廂間的間隙，車外空氣溫度為35 C,車廂外表面溫度為20 C 試估算該火車所需的制冷負荷.5-20 在一熱處理工程中將一