傳熱學部分思考題

1、教材上的思考題第8章  思考題 1試說明熱傳導（導熱）、熱對流和熱輻射三種熱量傳遞基本方式之間的聯(lián)系與區(qū)別。 區(qū)別：它們的傳熱機理不同。導熱是由于分子、原子和電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，其本質(zhì)是介質(zhì)的微觀粒子行為。熱對流是由于流體的宏觀運動，致使不同溫度的流體相對位移而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，其本質(zhì)是微觀粒子或微團的行為。輻射是由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動而使物體向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象，其本質(zhì)是電磁波，不需要直接接觸并涉及能量形式的轉(zhuǎn)換。 聯(lián)系：經(jīng)常同時發(fā)生。 2試說明熱對流與對流換熱之間的聯(lián)系與區(qū)別。 熱對流是由

2、于流體的宏觀運動，致使不同溫度的流體相對位移而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。對流換熱是流體與固體表面之間由熱對流和導熱兩種傳熱方式共同作用導致的傳熱結果。3. 從傳熱的角度出發(fā)，采暖散熱器和冷風機應放在什么高度最合適？  答：采暖器和冷風機主要通過對流傳熱的方式使周圍空氣變熱和變冷，使人生活在合適的溫度范圍中，空氣對流實在密度差的推動下流動，如采暖器放得太高，房間里上部空氣被加熱，但無法產(chǎn)生自然對流使下部空氣也變熱，這樣人仍然生活在冷空氣中。為使房間下部空氣變熱，使人感到舒適，應將采暖器放在下面，同樣的道理，冷風機應放在略比人高的地方，天熱時，人才能完全生活在冷空氣中4在晴朗無風的夜

3、晚，草地會披上一身白霜，可是氣象臺的天氣報告卻說清晨最低溫度為2。試解釋這種現(xiàn)象。但在陰天或有風的夜晚（其它條件不變），草地卻不會披上白霜，為什么？答：深秋草已枯萎，其熱導率很小，草與地面可近似認為絕熱。草接受空氣的對流傳熱量，又以輻射的方式向天空傳遞熱量，其熱阻串聯(lián)情況見右圖。所以，草表面溫度tgr介于大氣溫度tf和天空溫度tsk接近，tgr較低，披上“白霜”。如有風，hc增加，對流傳熱熱阻R1減小，使tgr向tf靠近，即tgr升高，無霜。陰天，天空有云層，由于云層的遮熱作用，使草對天空的輻射熱阻R2增加，tgr向tf靠近，無霜（或陰天，草直接對云層輻射，由于天空溫度低可低達-40），而云層

4、溫度較高可達10左右，即tsk在陰天較高，tgr上升，不會結霜）。5在一有空調(diào)的房間內(nèi)，夏天和冬天的室溫均控制在20，但冬天得穿毛線衣，而夏天只需穿襯衫。這是為什么？ 答：人體在房間里以對流傳熱和輻射傳熱的方式散失熱量，有空調(diào)時室內(nèi)tfi不變，冬天和夏天人在室內(nèi)對流散熱不變。由于夏天室外溫度比室內(nèi)溫度高，冬天比低，墻壁內(nèi)溫度分布不同，墻壁內(nèi)表面溫度在夏天和冬天不一樣。顯然，>，這樣人體與墻壁間的輻射傳遞的熱量冬天比夏天多。在室溫20的房間內(nèi)，冬天人體向外散熱比夏天多而感到冷，加強保溫可使人體散熱量減少，如夏天只穿襯衫，冬天加毛線衣，人就不會感到冷。第十一章（基本概念較多，就交給你了！）第

5、十二章沒找到現(xiàn)成的。找到的一些其他的思考題第八章1-1 試列舉生活中熱傳導、對流傳熱核輻射傳熱的事例。1-2 冬天，上午曬被子，晚上睡覺為什么還感到暖和？答：被子散熱可是為無限大平面導熱。曬被子使被子變得蓬松，含有更多的空氣，而空氣熱導率較小，使被子的表現(xiàn)電導率變小。另外，被子曬后厚度增加。總之，被子曬后，其導熱熱阻/A變大，人體熱量不易向外散失，睡在被子里感到暖和（被子蓄熱不必考慮：被子蓄熱不多；上午曬被子，晚上蓄熱早已散光）。1-3 通過實驗測定夾層中流體的熱導率時，應采用圖1-6種哪個裝置？為什么？答：左邊一種。這種裝置熱面在上，冷面在下，使流體對流傳熱減少到零，由這種裝置測得的熱導率不

6、受對流傳熱的影響。如果采用右邊一種裝置，由于對流傳熱的影響而測得的熱導率偏大。1-4 在思考題1-3中，流體為空氣時熱導率可用式（1-1）計算，式中t為熱、冷面的溫度差，為空氣夾層的厚度，為通過空氣夾層的熱流量，A為空氣夾層的導熱面積。實踐證明，t不能太大，否則測得的熱導率比真實熱導率大。試分析其原因。答：熱面和冷面的傳熱熱流量=c+d+r=tA/。由思考題1-3可見，左邊一種裝置雖然減少了對流傳熱的影響，但如t較大，輻射傳熱量r對測量氣體熱導率的影響卻不能忽略，會影響熱導率測定的準確性。這時，熱傳導率實質(zhì)上是以導熱和輻射傳熱兩種方式傳遞熱量形式的表現(xiàn)熱導率e。顯然，e>（其中為氣體的真

7、實熱導率）。由于輻射傳熱量r正比于熱面和冷面溫度的四次方之差（T14-T24），只有在熱面和冷面溫度之差（t1-t2）較小時，輻射傳熱的影響才可忽略，d=tA/。1-5 從傳熱的角度出發(fā)，采暖散熱器和冷風機應放在什么高度最合適？答：采暖器和冷風機主要通過對流傳熱的方式使周圍空氣變熱和變冷，使人生活在合適的溫度范圍中，空氣對流實在密度差的推動下流動，如采暖器放得太高，房間里上部空氣被加熱，但無法產(chǎn)生自然對流使下部空氣也變熱，這樣人仍然生活在冷空氣中。為使房間下部空氣變熱，使人感到舒適，應將采暖器放在下面，同樣的道理，冷風機應放在略比人高的地方，天熱時，人才能完全生活在冷空氣中。1-6 從表1-1

8、對流傳熱系數(shù)的大致范圍，你可以得出哪些規(guī)律性的結論？答：從表1-1可看出如下規(guī)律：空氣的對流傳熱系數(shù)小于水的對流傳熱系數(shù)；同一種流體，強迫對流傳熱系數(shù)大于自然對流傳熱系數(shù)；同一種流體有變相時的對流傳熱系數(shù)大于無變相識的對流傳熱系數(shù)；水變相時的對流傳熱系數(shù)大于有機介質(zhì)相變對流傳熱系數(shù)。1-7 多層熱絕熱有鋁箱和玻璃纖維紙、玻璃布、尼龍網(wǎng)等依次包扎而成，并且整個系統(tǒng)處在高真空下。在20300K的溫度下它的熱導率可抵達（0.10.6）×10-4W/(m·K)，試分析其原因。答：由于系統(tǒng)處于高真空，導熱和對流傳熱的作用減少到很小，多層鋁箱間用熱導率很小的玻璃纖維紙、玻璃布、尼龍網(wǎng)隔

9、開，導熱作用較?。讳X箱的玻璃作用使輻射傳熱也很?。ㄔ斠姷诎苏拢?。這樣，這個系統(tǒng)使三種傳熱方式傳遞的熱流量都大大減少，所以其表現(xiàn)熱導率就很小。1-8 在晴朗無風的夜晚，草地會披上一身白霜，可是氣象臺的天氣報告卻說清晨最低溫度為2。試解釋這種現(xiàn)象。但在陰天或有風的夜晚（其它條件不變），草地卻不會披上白霜，為什么？答：深秋草已枯萎，其熱導率很小，草與地面可近似認為絕熱。草接受空氣的對流傳熱量，又以輻射的方式向天空傳遞熱量，其熱阻串聯(lián)情況見右圖。所以，草表面溫度tgr介于大氣溫度tf和天空溫度tsk接近，tgr較低，披上“白霜”。如有風，hc增加，對流傳熱熱阻R1減小，使tgr向tf靠近，即tgr升高

10、，無霜。陰天，天空有云層，由于云層的遮熱作用，使草對天空的輻射熱阻R2增加，tgr向tf靠近，無霜（或陰天，草直接對云層輻射，由于天空溫度低可低達-40），而云層溫度較高可達10左右，即tsk在陰天較高，tgr上升，不會結霜）。1-9 在一有空調(diào)的房間內(nèi)，夏天和冬天的室溫均控制在20，但冬天得穿毛線衣，而夏天只需穿襯衫。這是為什么？（提示：參考圖1-8，先畫出夏天和冬天墻壁傳熱的溫度分布曲線，在解釋這種現(xiàn)象。）答：人體在房間里以對流傳熱和輻射傳熱的方式散失熱量，有空調(diào)時室內(nèi)tfi不變，冬天和夏天人在室內(nèi)對流散熱不變。由于夏天室外溫度比室內(nèi)溫度高，冬天比低，墻壁內(nèi)溫度分布不同，墻壁內(nèi)表面溫度在夏

11、天和冬天不一樣。顯然，>，這樣人體與墻壁間的輻射傳遞的熱量冬天比夏天多。在室溫20的房間內(nèi)，冬天人體向外散熱比夏天多而感到冷，加強保溫可使人體散熱量減少，如夏天只穿襯衫，冬天加毛線衣，人就不會感到冷。1-10 飽和水蒸氣管道外包保溫材料，試分析三種傳熱方式怎樣組成由水蒸氣經(jīng)管道壁和保溫層到空氣的傳遞過程，并畫出熱阻串并聯(lián)圖。答：（凝結）蒸汽管內(nèi)表面管外表面保溫層外表面空氣對流導熱導熱對流輻射R4ct汽或tf1tw1tw2tw3t氣或tf2R1cR2dR3dR4r1-11 在思考題1-10中，管道外壁的溫度近似等于飽和水蒸氣的溫度。試用熱阻分析解釋這一現(xiàn)象。答：蒸汽凝結很大，熱阻很小。金屬

12、管道熱導率較大，而其厚度很小，導熱熱阻也很小。管道保濕時，管道散熱量很小，管壁外表面。1-12 某雙層壁中的溫態(tài)溫度分布如圖1-7所示，問哪一層材料的熱導率大？哪一層材料的導熱熱阻大？答：由，穩(wěn)態(tài)時，而，所以。二熱阻串聯(lián)，由，所以。1-13 某傳熱過程的溫度分布如圖1-8所示，是分別畫出其在下列情況下的溫度分布曲線：（1）；（2）；（3）；（4），。1-14 一碗稀飯放在盛有自來水的面盆中冷卻。為了使稀飯冷卻得快一些，用湯勺攪動。問用湯勺攪動稀飯時稀飯冷卻得快，還是攪動自來水時稀飯冷卻得快？為什么？答：稀飯放在冷水中冷卻時，熱量由稀飯經(jīng)碗壁傳給碗外盆中水。由經(jīng)驗判斷，水側表面對流傳熱系數(shù)要大于

13、稀飯側表面對流傳熱系數(shù)，即稀飯側熱阻大于水側熱阻。用湯勺攪動來使表面對流傳熱系數(shù)增加即減少對流傳熱熱阻，減少最大熱阻效果最佳，所以用湯勺攪動稀飯時冷卻效果較好。1-15 圖1-9為三種太陽能熱水器的元件：圖a為充滿水的金屬管；圖b為在圖a的管外加一玻璃罩，玻璃罩和金屬管間有空氣；圖c為在管外加一玻璃罩，但罩與金屬管間抽真空。試分析用框圖表示三元件的傳熱過程，并論述其效率由圖a向圖c逐步提高的原因。答：a中水管接受太陽能后，直接向周圍物體（天空等）輻射散熱，又向周圍空氣對流散熱。b中水管接受太陽能后，直接向玻璃管輻射散熱。玻璃管的溫度要比天空溫度高得多，使輻射散熱減少。水管向夾層中空氣對流散熱，

14、夾層中空氣比外界空氣溫度高，而且封閉的夾層也使對流傳熱系數(shù)減少，對流散熱也減少。C中水管接受太陽能后，直接向玻璃管輻射散熱，情況用b，由于夾層中真空，沒有空氣，使對流散熱為零。所以，由a至c散熱量逐漸減少，效率逐步提高。1-16 有兩幢形狀和大小相同的房屋，室內(nèi)保持相同的溫度。早晨發(fā)現(xiàn)一幢房屋屋頂有霜，另一幢屋頂無霜。試分析哪一幢房屋屋頂隔熱性能好。答：屋頂有霜，表示屋頂外表面溫度較低，而屋頂散熱系數(shù)較?。ㄗ兓淮螅?，即屋頂?shù)膶崃恳残?，這表明有霜的屋頂保溫性能好。為便于觀察，將屋頂轉(zhuǎn)至垂直位置，其傳熱過程溫度分布曲線畫在右圖，有霜屋頂和都小，表示散熱小，無霜屋頂保溫性能不好有兩種可能性：屋頂

15、較??；屋頂材料熱導率較高。這兩種可能性都會使提高而無霜。1-17 由4種材料組成圖1-10所示的復合壁，界面接觸良好，左面維持均勻恒定的溫度，右面維持均勻恒定的溫度。如比大得多，能否用熱阻并串聯(lián)的方法求復合壁的總熱阻？為什么？答：利用熱阻并、串聯(lián)規(guī)律求總熱阻，再模仿電路歐姆定律求出熱流量，必須符合下列條件：穩(wěn)態(tài)導熱；一維；無內(nèi)熱源。當時，ABCD中均不是一維穩(wěn)態(tài)導熱，按上法計算偏差較大。當與相差不顯著時，ABCD中近似一維穩(wěn)態(tài)導熱，按上法計算偏差不大。1-18 某電路板上有4只晶體管，其金屬管殼與支架相連，支架與一隔板相連（如圖1-11所示），晶體管產(chǎn)生的熱量經(jīng)管殼和支架傳給隔板。假設：4只晶

16、體管溫度均勻且相同，本身熱阻也相同；管殼與支架接觸良好；支架為鋁材，橫斷面足夠大，使支架上幾乎沒有溫度降；支架與隔板間連接處有熱阻；晶體管產(chǎn)生熱量的一部分由管殼和支架散失，一部分由隔板散失。試畫出晶體管熱量散失時熱阻并串聯(lián)情況。答：由于4R晶體管溫度相同，右圖中用虛線相連，是各只晶體管功耗產(chǎn)生的熱流量。經(jīng)各自內(nèi)部導熱熱阻到外殼和支架上。由于支架和外殼熱阻可以忽略，支架溫度相同，即，4個點用實線相連。管殼和支架成為一體，部分熱量由它們向外界對流散熱和輻射散熱，表面熱阻分別為和，還有部分熱量通過支架與隔板連接處的接觸電阻流入隔板，由隔板表面向外界進行對流散熱和輻射散熱，其表面熱阻分別為和。顯然，表

17、面對流熱阻和表面輻射熱阻均為并聯(lián)。第九章2-1 不同溫度的等溫面（線）不能相交，熱流線能相交嗎？熱流線為什么與等溫線垂直？答：熱流線垂直于等溫線，不同溫度的等溫線不能相交，熱流線也不能相交。如熱流線不垂直等溫線，則等溫線上必有一熱流分量。而等溫線上無溫差，q=0，只有熱流線垂直于等溫線才能使等溫線上的分熱流為零。2-2 一無內(nèi)熱量平壁穩(wěn)態(tài)導熱時的溫度場如圖2-28所示。試說明它的熱導率是隨溫度增加而增加，還是隨溫度增加而減少？答：穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源時不變，由傅里葉定律，平壁A為常數(shù)，由圖從左向右變大，這表明熱導率從左到右減小，而溫度自左向右減小，故熱導率隨溫度t的增加而增加。2-3 根據(jù)對熱導率主要

18、影響因素分析，試說明在選擇和安裝保溫隔熱材料時要注意哪些問題？答：選擇熱導率小的材料，最好其密度在最佳密度附近，使其具有最佳保溫性能；進行保溫計算時必須考慮溫度對保溫材料熱導率的影響；保溫材料保溫性能受水分的影響，必須采取防水措施，外加保護層，如材料中已加憎水劑，不易含水分，不受水的影響，應首選該種材料；為防止保溫材料（或絕熱材料）層結冰，要采取防凍措施，不讓外界水分滲入，無法防止時，可適當加厚，以彌補結冰使材料性能下降；采用各向異性材料時要注意導熱方向?qū)釋实挠绊憽?-4 金屬材料的熱導率很大，而發(fā)泡金屬為什么又能做保溫隔熱材料？答：發(fā)泡材料的熱導率是固體骨架和孔隙中氣體導熱，對流傳熱和輻

19、射傳熱綜合的當量熱導率，發(fā)泡金屬以金屬為骨架，但其橫截面尺寸很小，而孔隙中氣體導熱率較小，各孔隙中氣體被封閉在各個小孔中，對流傳熱作用較小。多孔結構對輻射傳熱起著遮擋作用，使其大大削弱。由此，發(fā)泡金屬的當量熱導率較小，比密實金屬要小得多，可以做保溫材料。2-5 冰箱長期使用后外殼上易結露，這表明其隔熱材料性能下降。你知道其道理嗎？（提示：冰箱隔熱材料用氟里昂發(fā)泡，長期使用后氟利昂會逸出，代之以空氣。）答：冰箱隔熱材料用氟里昂作發(fā)泡劑的聚氨酯泡沫塑料，其熱導率要比一般保溫材料小，這是由于孔中氟里昂氣體熱導率較低，使用時間較長，氣孔中氟里昂逐步逸出，環(huán)境中的空氣取而代之，由于空氣的熱導率是氟里昂的

20、23倍，進入空氣的隔熱材料熱導率大大提高，使其保冷性能下降。2-6 冰箱冷凍室內(nèi)結霜使冰箱耗電量增加，試分析這是什么原因？答：冰箱中的制冷劑在冷凍室隔熱材料內(nèi)側（見右圖）蒸發(fā)管中蒸發(fā)，吸收冷凍室的熱量，使冷凍室降低到指定的溫度后，壓縮機停止工作。冷凍室內(nèi)結霜后，使蒸發(fā)管和冷凍室間增加一層熱阻，而霜有顆粒狀的水組成，中間夾雜著不流動的空氣，使其當量熱導率比密實的冰小得多，熱阻較大，要使冷凍室達到指定溫度必須增加壓縮機工作時間，耗電量增加。2-8 物體中的溫度分布曲線與絕熱邊界的關系如何？答：由傅里葉定律，絕熱邊界=0，而和不為零，所以=0，即絕熱邊界溫度變化率為零，溫度分布曲線垂直于絕熱邊界。2

21、-9 無內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)導熱的導熱微分方程式（2-7）變成式中沒有熱導率，所以有人認為無內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)導熱物體的溫度分布與熱導率無關。你同意這種看法嗎？答：不同意，因為熱導率問題的完整數(shù)學描述包括導熱微分方程和定解條件。無內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)導熱問題，雖然導熱微分方程中不包含有熱導率，但第二類邊界條件和第三類邊界條件中都含有熱導率，即邊界條件為第二類或第三類的無內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)導熱與熱導率有關，只有第一類邊界條件下無內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)導熱物體的溫度分布才與熱導率無關，詳見例題4-1，題中未給出定熱導率，其溫度分布與無關。2-10 在多層壁導熱中，當某一層有內(nèi)熱源時式（2-17）和式（2-21）仍能適用嗎？為什么？答：不能用，因

22、串聯(lián)各環(huán)節(jié)不相同，違背了式（2-17）和式（2-21）推導的條件。2-11 說明圓筒壁一維穩(wěn)態(tài)導熱的溫度分布曲線為什么隨半徑增加而變得平坦？試畫出無內(nèi)熱源的單層圓筒壁在內(nèi)壁面溫度高于或低于外壁面溫度時的溫度分布曲線。答：由傅里葉定律，穩(wěn)態(tài)且無內(nèi)熱源時（常數(shù)）， ，溫度分布曲線變得平一些，由此得右圖：時，得上凹的曲線；為上凸的曲線。2-12 等截面延伸體穩(wěn)態(tài)導熱和一維穩(wěn)態(tài)導熱有何區(qū)別？答：一維穩(wěn)態(tài)導熱只有一個方向上有熱流，而在其它方向無熱流。等截面延伸體穩(wěn)態(tài)導熱不但沿高度方向上有導熱，而且在垂直于高度方向上也有熱流，所以一般研究（）很小且有一定高度（低肋除外）的延伸體，這時熱流主要沿高度方向上的

23、熱流密度不大。人們常稱為準一維穩(wěn)態(tài)導熱，一維穩(wěn)態(tài)導熱時各個導熱面上熱流量相等，而準一維穩(wěn)態(tài)導熱各個導熱面上熱流量不等，沿著導熱方向逐漸減少。另外，等截面一維穩(wěn)態(tài)導熱（熱導率為常數(shù)且無內(nèi)熱源）沿導熱方向溫度分布為一直線，而等截面準一維穩(wěn)態(tài)導熱在同樣的條件下沿導熱方向溫度分布為一曲線，沿導熱方向曲線變得越來越平。2-13 試用微元體熱平衡法建立矩形直肋導熱微分方程（2-27）。答：由書中圖2-18，在處取微元體，能量守恒方程，即 （a） （b） （c） （d）（b）（d）代入（a）化簡得 （e）令，式（e）變成，即得式（2-27b）。2-14 工程上采用加肋片來強化傳熱。何時一側加肋？何時兩側同時

24、加肋？答：由例2-13可以得到啟發(fā)，當傳熱壁一側<0.2時，該側加肋。當傳熱壁兩側都小于0.2時，則兩側都可加肋，加肋時還應遵循這樣的原則，壁面兩側表面?zhèn)鳠釤嶙钁M量相近，強化效果最佳。當壁面兩側都小于0.2，但一側表面?zhèn)鳠釤嶙栾@著大于另一側表面?zhèn)鳠釤嶙钑r，在熱阻大的一側加肋效果較好。2-15 用帶溫度套管的熱電偶來測量低溫（低于環(huán)境溫度）流體溫度時，測值比實際值偏高還是偏低？為什么？答：由，式中為被測流體溫度，此刻它低于周圍環(huán)境溫度，測低溫物體時，>0，即，測值比流體溫度偏高，這與側高溫流體（蒸汽、熱水、熱空氣）溫度正好相反。2-16 當把測溫套管由鋼材改為紫銅后，材料導熱性能變

25、好，使熱量由流體經(jīng)套管傳給溫度計的熱阻減少，測溫誤差應減少，但為什么實踐證明適得其反呢？答：測溫套管導熱主要延長度方向，而題中所述熱流量很小，是次要方面。不銹鋼改為紫銅后，大大增加，套管軸向?qū)釤嶙璐蟠鬁p少，其端部溫度與根部溫度差別減少，即更接近于，測溫誤差將增加。2-17 從熱阻角度分析，為什么在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小的一側加肋片效果較好？為什么用熱導率大的材料做肋片？答：h小的一側熱阻大，它在總熱阻中起的作用大，減少這樣的熱阻使熱流量增加的效果好，加肋片使表面熱阻減少，用熱導率大的材料做肋片，使肋片本身的附加熱阻不大，不會因此而使總熱阻增加?；颍簾釋试黾樱瑓⒘?，肋片效率，使肋壁效率，熱阻。由加肋

26、對傳熱有利（見例題2-13）也可以看出，肋片應裝在h小的一側，肋片材料熱導率應較大，否則會使，加肋對傳熱不利。2-18 減少接觸熱阻的主要方法有哪些？這些方法為什么能減少接觸熱阻？答：如有可能的話，降低接觸面的硬度，使加壓后形變增加，接觸面增大，且間隙變小，都使接觸部分的熱阻減少；增加接觸面的壓力，形變增加，熱阻減少；增加接觸面的光潔度和平行度，使接觸面增加，間隙變小，熱阻變小；間隙處加軟金屬或?qū)嶂?，使間隙的熱導率增加，使接觸熱阻減少。第十章5-1 為什么電廠發(fā)電機用氫氣冷卻比空氣冷卻效果好？為什么用水冷卻比氫氣冷卻效果更好？答：對流傳熱是貼壁層流體導熱和邊界層流體對流的綜合影響，流體熱導率

27、和攜帶熱量能力和影響著對流傳熱系數(shù)?？諝?、氫氣和水的、詳見下表冷卻介質(zhì) 空氣 氫氣 水 相 對 值空氣氫氣水熱導率/W/（m2.k）0.02780.19420.64316.9923.1密度/kg/m31.0930.075598811/14.5904比熱容/J/kg.k0.2413.491.161116.54.8/J/（m3.k）0.2630.301114711.144361由和、都可看出：水優(yōu)于氫氣，更優(yōu)于空氣。電機冷卻情況證實了這一點。5-2 什么是流動邊界層？什么是熱邊界層？為什么它們的厚度之比與普朗特數(shù)Pr有關？答：流動邊界層是由于流體粘度造成速度變化的區(qū)域，熱邊界層是由于流體的熱擴散率

28、造成溫度變化的區(qū)域。它們的厚度之比應與形成流體邊界層和邊界層的流體黏度和熱擴散率a之比有關，即與普朗特數(shù)Pr有關。理論上已證明。5-3 粘性油的Pr數(shù)很大，液態(tài)金屬的Pr數(shù)很小。圖5-9為這兩種流體的邊界層過余溫度場和速度場。試指出哪一幅圖是粘性油的，哪一幅圖是液態(tài)金屬的？為什么？答：圖中a 為粘性油的u和分布。因粘性油很大，Pr=較大，而，所以，即圖a。5-4 試根據(jù)圖5-3粗略地畫出局部對流傳熱系數(shù)hx的沿程變化。答：開始時，隨著層流邊界層厚度的增加，局部對流傳熱系數(shù)hx下降。過渡區(qū)，由于層流向湍流邊界層過渡，擾動增加，雖然邊界層厚度增加更快，但hx由于流體橫向（垂直于壁面方向）摻合，hx

29、反而增加。以后由于層流底層厚度和湍流邊界厚度的增加，hx稍有下降，并逐步接近于恒定值。5-5 邊界層中溫度變化率的絕對值何處最大？對于一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐涣黧w，為何能用（）y=0絕對值得大小來判斷對流傳熱系數(shù)h的大??？答：邊界層中貼壁層最大。由，得。對于一定的流體，為常數(shù)，在和不變的情況下，。所以，對于同一對熱流傳熱溫差的同一流體，可用的大小來判斷該處對流傳熱系數(shù)的大小。5-6 從對對流傳熱過程的了解，解釋物性值對對流傳熱系數(shù)h的影響。答：對流傳熱是先通過貼壁層流體的導熱，以后由流體將熱量攜帶走，所以對流傳熱與流動的熱導率以及流體攜帶熱量的能力、有關。對流傳熱與流體流動情況有關，雷諾數(shù)與黏度

30、有關，所以對流傳熱與黏度有關。自然對流傳熱時，同一溫差下流體流動情況還與體膨脹系數(shù)有關。5-7 試論述固體導熱微分方程與邊界能量微分方程的關系。答：它們都是能量微分方程，但邊界層能量微分方程考慮了流體對流攜帶的熱量，而固體導熱微分方程不考慮對流攜帶的熱量。如邊界層內(nèi)流體速度均為零，則邊界層能量微分方程變成固體的導熱微分方程。6-1 管內(nèi)湍流強迫對流傳熱時，流速增加一倍，其它條件不變，對流傳熱系數(shù)h如何變化？管徑縮小一半、流速等其他條件不變時h如何變化答： 流速增加一倍，由 得直徑縮小一半(v不變)，直徑縮小一半(qv不變)，6-2 管內(nèi)強迫對流傳熱時，短管修正系數(shù)cl1，彎管修正系數(shù)cR1，流

31、體橫掠管束時管排修正系數(shù)cZ1，為什么？答：短管：入口段邊界層厚度從零開始增加，到 很大時， 由于入口段邊界層較薄，hx較大，使彎管：二次環(huán)流使彎管處管排：由于尾流的作用，渦旋強化傳熱，使 z4時，hz增加不多，基本上穩(wěn)定達到最大值hmax,管排修正系數(shù) （注腳為管排數(shù)），6-3 湍流強迫對流傳熱時，在其他條件相同的情況下粗糙管的對流傳熱系數(shù)大于光滑管的對流傳熱系數(shù)，為什么？答： 湍流時層流底層很薄，粗糙管突起物露出層流底層，使流體流過時產(chǎn)生擾動，強化了傳熱，所以粗糙管湍流強迫對流傳熱系數(shù)與粗糙程度有關，且比光滑管大。6-4 由圖6-8可見，橫掠單管時=0或=180°處的局部對流傳熱

32、系數(shù)h可能較大。這在鍋爐對流傳熱設計中有何意義？答： 由圖6-8和式（6-22）可見，流體沖刷單管時=0º處h最大，鍋爐過熱器第一排管束受沖刷情況與煙氣沖刷單管相仿，所以A點對流傳熱最強烈，加上過熱器前煙氣空間中煙氣的輻射傳熱，使第一排管A點熱流密度很大而引起超溫，甚至爆管而被迫停爐。最后一排管子的B點對流傳熱系數(shù)也很大，后面的煙氣空間也很大，雖然煙溫有所下降，最后一排管子的B點也有超溫的可能。所以，鍋爐設計中必須對過熱器第一排管子A點（前駐點）和最后一排管束B點進行過熱器壁溫校核，檢查是否超溫，如有超溫的現(xiàn)象，必須采取措施或重新設計。6-5 管內(nèi)充分發(fā)展段中（twtf）流體的速度和

33、溫度都不沿軸向變化，對嗎？為什么？答： 進入流動充分發(fā)展段后，速度v(r,x)不沿軸向x變化，但此刻流體一邊流動一邊吸熱或放熱，流體溫度t(r,x)不僅沿徑向r變化，而且沿軸向x變化，但由于截面平均溫度tf也在作同樣的變化，所以其相對過余溫度 不沿x方向變化稱為熱定型段或熱充分發(fā)展段。6-6 流體斜掠單管時，h隨著（角為流速與管軸線間的夾角）的減小而降低，為什么？答： 流體斜向沖刷（斜掠）單管或管束時，前半段管子受到流體流體垂直沖擊作用減小，使前半部局部對流傳熱系數(shù)h減小，斜向沖刷相當于垂直沖刷橢圓管，橢圓管曲率變小，圓管后半部流體分離作用減弱，后半部h也減小。總之，與垂直沖刷圓管相比，平均對

34、流傳熱系數(shù)h減小，斜掠時修正系數(shù)6-7 仿照管內(nèi)強迫對流傳熱強化措施的分析，試說明流體橫掠管束對流傳熱時應采取哪些強化措施。答： 橫掠管束： 由于所以代入上式改為 強化橫掠管束對流傳熱的措施 ； ； 垂直沖刷；加隔板（如殼管式換熱器），減少流體縱掠，同時可使 ；選用 大的流體；選用粘度小的流體（n<m）；增加管排數(shù)；用叉排（一般Re范圍內(nèi)，h叉> h順。）6-8 混合對流傳熱系數(shù)會小于同樣情況下按純強迫對流傳熱計算得到的傳熱系數(shù)，為什么？答：在豎管內(nèi)流體如自上向下流動且被加熱時，壁面附近流體有由于受熱而有上升的趨勢，使這些流體向下流動的速度減慢，如流體自管內(nèi)自下而上流動且被管子冷卻

35、，也使壁面附近流體流速減小，這兩種情況都減小了流體的沖刷作用而使混合對流體自上而下流動且被加熱，自然對流方向與強迫流動方向一致，使流體在壁面附近速度增加，混合對流傳熱時對流傳熱系數(shù)大于純強迫對流傳熱系數(shù)，流體在水平管內(nèi)混合對流傳熱系數(shù)總大于純強迫對流傳熱系數(shù)，如 二者近似相等。6-9 管內(nèi)強迫對流傳熱考慮溫度修正系數(shù)時，為什么液體用粘度來修正，而氣體用溫度來修正？答： 流體邊界層溫度場影響著流體的物性值。對于液體，主要影響著動力粘度，對密度影響不大，所以對于液體進行粘度修正，即溫度修正系數(shù)Ct用 對于氣體邊界層溫度場6-10 摩托車內(nèi)燃機氣缸外的肋片有時被割開，如圖6-15所示，割開后對散熱有

36、什么影響？答： 摩托車開動后，空氣縱掠內(nèi)燃車氣缸肋片，這是流體縱掠平壁。由于肋片不大，空氣在肋片上基本上只是形成層流邊界層，沿著空氣流動方向上層流邊界層厚度增加，使局部對流傳熱系數(shù)h減小。將肋片割開后，形成幾道裂紋，相當于使平壁長度l減小，邊界層厚度減小，對流傳熱系數(shù)增加，另裂縫處空氣產(chǎn)生一定的俄程度的擾動，也強化了對流傳熱。6-11 對于有限空間自然對流傳熱，Nu會小于1嗎？為什么？答： 即使不考慮輻射傳熱，總傳熱量也大于僅靠導熱傳遞的熱流量，如仍用傅里葉定律來計算，則 式中e為當量熱導率，顯然e>（為流體真實熱導率，而有限空間自然對流傳熱時， ，所以Nu>1。如自然對流作用小到

37、可以忽略，Nu將等以1，但無論如何不會小于1。7-1 豎壁傾斜后凝結傳熱系數(shù)減小，如何解釋？答：大豎壁傾斜后，凝結液向下流動變慢，使液膜加厚，液膜熱阻增加，凝結傳熱系數(shù)減少。7-2 空氣從上向下橫掠過管束時，平均對流傳熱系數(shù)隨著豎直方向 上的管排數(shù)的增加而增加。而蒸汽在水平管束外凝結傳熱時，豎直方向上管排數(shù)越多，平均凝結傳熱系數(shù)卻越低。你如何理解這兩種相反的結論？ 答： 空氣自上向下橫掠過管束時隨著管排數(shù)增加，擾動強度增加，各排管對流傳熱系數(shù)增加。蒸汽在水平管束外凝結時，自上向下隨著管排數(shù)的增加，凝結液膜越來越厚，凝結傳熱熱阻越來越大，凝結傳熱系數(shù)逐漸減小，平均凝結傳熱系數(shù)越來越小。7-3 水

38、蒸氣在管外凝結傳熱時，一般將管束水平放置而不豎直放置，為什么？答：由于管長l»d，而層流時h(l為定型尺寸)，水平放置時l=d0«l，所以h水平>h豎直。在同樣情況下，要凝結同樣數(shù)量蒸汽，管子水平放置所需對流傳熱面比豎直放置時小，所以蒸汽在管束凝結時管束應盡量水平放置。7-4 圖7-15所示的泄液裝置能提高凝結傳熱系數(shù)，原因何在？答： 洩液盤使豎管高度H下降，液膜厚度變小，熱阻變小，凝結傳熱系數(shù)h增加；洩液板使豎直方向上管排數(shù)nm減小，h。7-5 為什么冷凝器上要裝抽氣器將其中的不凝結氣體抽出？答： 由于冷凝器處于真空狀態(tài)，易漏入空氣，加上蒸汽中原來帶有極少空氣，在冷

39、凝器內(nèi)隨著蒸汽凝結，空氣濃度增加，使h。為此，在冷凝器上裝上抽氣器，及時將空氣抽掉，以保證冷凝器維持較高的凝結傳熱系數(shù)。7-6 在大氣壓下將同樣的兩滴水滴在表面溫度分別為120和400的鍋上，試問滴在哪種鍋上的水先被燒干，為什么？答： 120鍋上的水滴先被燒干，大氣壓下，鍋表面的過熱度（tw -ts）分別為20和300，對照圖7-10，前者表面發(fā)生核態(tài)沸騰，后者發(fā)生膜態(tài)沸騰，雖然后者傳熱溫差比前者大得多，但前者傳熱系數(shù)更比后者大得多，使后者傳熱量反而低于前者，所以120鍋上水滴先被燒干。7-7 使流體振動可提高單相流體對流體傳熱系數(shù)。用此法使水振動，能否提高水在大空間沸騰的傳熱系數(shù)？答： 太空

40、間水沸騰傳熱時，汽泡在極短的時間內(nèi)成千倍的長大，有人稱之為“爆炸式”的成長，成長后汽泡脫離加熱面，這些都是強烈地擾動著壁面附近的水，使沸騰傳熱系數(shù)較大，這時如再設法使水振動，效果將不會太好，沸騰傳熱系數(shù)增加不明顯。7-8 氟利昂的沸騰和凝結傳熱系數(shù)比水沸騰和凝結的傳熱系數(shù)小得多，你能說明原因嗎？答：單相介質(zhì)對流傳熱靠顯熱傳遞熱量，相變對流傳熱靠汽化潛熱傳遞熱量，氟利昂和水的汽化潛熱之比約為1：10，所以氟利昂沸騰和凝結傳熱系數(shù)比水的相應值要小得多。7-9 從大容量飽和沸騰傳熱曲線（見圖7-10）可看出，用電流加熱（恒熱流）的情況下，水沸騰時沸騰曲線會從C點躍到E點，而常使設備燒毀。用水壺燒開水

41、也可近似視為恒熱流加熱，但為什么不必擔心燒干前水壺會燒毀？答： 由圖7-10可以看出，大氣壓下大容器沸騰危機時臨界熱流密度=1.1×106 w/m2,而水壺燒開水時的熱流密度一般只有2×104 1×105 w/m2，遠小于，不可能產(chǎn)生膜狀沸騰。所以，只要壺中有水就不必擔心它會被燒壞。第十一章8-1 一個物體，只要溫度T>0 K就會不斷地向外界輻射能量。試問它的溫度為什么不會因其熱輻射而降至0 K?答：T>0K，E>0，它向外界輻射能量，但它也接受外界物體對它輻射能量，而處于輻射熱平衡狀態(tài)，其溫度不變。8-2 什么叫黑體、灰體和白體？它們分別與黑色

42、物體、灰色物體和白色物體有什么區(qū)別？答： 黑體能全部吸收投射輻射，灰體對光譜輻射的輻射能吸收比等于常數(shù)，即對投射輻射的吸收比與投射輻射的波長無關。白體對投射輻射起完全反射作用，而且是漫反射。上述定義在工程上應用時一般僅指紅外線范圍內(nèi)，而日常指的黑色物體、灰色物體和白色物體都是針對可見光而言的。黑色物體能吸收絕大部分可見光，灰色物體能按比例的吸收部分可見光，白色物體反射絕大部分可見光。黑體不一定是黑色的，雪較接近于黑體，但它在陽光下是白色物體。8-3 圖8-8所示的黑體模型、空腔表面溫度為T，直徑為D，空腔上小孔直徑為d，其小孔具有黑體性質(zhì)，試寫出小孔單位時間內(nèi)向外界輻射能量的計算式。答： =b

43、T4=d2×5.67×10-8W/(m2K4)×T4,式中T為空腔壁溫，A為小孔面積，不可用空腔面積。8-4 表面發(fā)射率是物體表面的特性參數(shù)，表面吸收比是否也是物體表面的特性參數(shù)？為什么？答： 表面吸收比不僅取決于該表面本身情況，而且還取決于輻射源的情況（表面溫度和表面性質(zhì)），所以它不能被稱為該表面的特性參數(shù)。8-5 從減少冷藏車冷量損失出發(fā)，試分析冷藏車外殼上的油漆顏色深一點好還是淺一點好？為什么？答： 冷藏車一方面與周圍物體進行輻射傳熱，與空氣進行對流傳熱（一般情況下都是冷藏車吸收熱量）；另一方面它常在太陽下走，大量吸收太陽輻射能，前者與顏色關系不大，后者與顏

44、色關系密切。眾所周知，淺色物體吸收太陽能少，深色物體吸收太陽能多，所以夏天宜穿淺色衣服。冷藏車也有類似現(xiàn)象，淺色吸收太陽能少，冷損失少。8-6 一半球形真空輻射爐，球心處有一個尺寸不大的圓盤形黑體輻射加熱元件，如圖8-46所示。時指出A、B、C三處中何處定向輻射最大？何處輻射熱流密度最大？答：黑體輻射為漫反射，輻射度與方向無關，所以LA=LB=LC，由，得，在ABC三處，相同，但CosACosBCosC,所以ABC，即qAqBqC。8-7 在輻射傳熱中假想灰體有何實際意義？答： 由于實際物體與黑體相差較遠（1，1，()c），用黑體規(guī)律來計算實際物體輻射能量有困難，而灰體（一般1，()=c）與實

45、際物體接近（實際物體與灰體相比，()c）。在紅外線范圍內(nèi)實際物體()變化不大，可是為常數(shù)（近似），即實際物體在紅外線范圍內(nèi)可視為灰體（有時稱為準灰體）。這對實際物體輻射傳熱計算帶來很大的方便。由此看來，引用灰體概念具有很大的現(xiàn)實意義。8-8 表8-2（黑體輻射函數(shù)）也適用于灰體嗎？為什么？答：=Fb（）8-9 有N個表面組成的封閉系統(tǒng)，求證其中某一表面k的投射輻射。答：Gk=8-10 何為表面發(fā)射率？實際物體的表面發(fā)射率與哪些因素有關？粗糙表面的發(fā)射率為什么比光滑表面的發(fā)射率大？答：表面發(fā)射率為該物體輻射力（發(fā)射輻射）與同溫下黑體輻射力之比，即。它與物體的種類、表面溫度和表面狀況等有關，粗糙面

46、上的突起物有類似于人造空腔的作用，使其有效發(fā)射率增加。8-11 有人說，物體輻射力越大其吸收比也越大，換句話說，善于發(fā)射的物體必善于吸收。你的看法如何？答： 在本章之前可以這樣講，但學習了基爾霍夫定律以后就不要這么講了。以下講法可能更嚴密：物體輻射力越大，其對同樣溫度的黑體輻射吸收比越大，善于發(fā)射的物體，必善于吸收同溫下黑體輻射，以上強調(diào)了兩點：物體與輻射源處于輻射熱平衡；輻射源為黑體，如物體為灰體，這兩點就不需要，題中講法不必修正。8-12 厚1mm的普通玻璃的光譜投射比如圖8-47所示，試據(jù)此解釋玻璃房的“溫度效應”。 答： 由圖可見，玻璃對短波部分的熱輻射吸收比較小，即穿透比較大，而對于

47、長波部分的熱輻射吸收比較大，透射比較小。太陽輻射能中主要是波長較短的部分（見例題8-2），可以通過玻璃被室內(nèi)物體吸收。而室內(nèi)物體溫度較低，輻射的能量幾乎全在遠紅外線的波長范圍內(nèi)，這部分能量不能穿透玻璃到室外。這樣，太陽的輻射能可以進入室內(nèi)，而室內(nèi)物體的輻射能卻輻射不出去（玻璃房主要通過玻璃的導熱向外散失熱量），這就是“溫室效應”。8-13 何謂黑體、灰體、半透明氣體和重輻射面的有效輻射？答： 黑體：Jb=Eb；灰體：J=E+(1+)G(G為投射輻射)；氣體：Jg=Eg+（1-g）；再輻射面：（再輻射面也是灰體）。8-14 普通玻璃能用來做紫外線和紅外線燈的燈泡嗎？為什么？（提示：參考圖8-47

48、。）答： 由圖-47可見，普通玻璃對于紫外線透射比很小，它不適用于做紫外線燈炮。普通玻璃對于的紅外線透射比較高，但對于的遠紅外線也較低。所以它也不宜用來做紅外燈泡。815 已知在短波（<1m）范圍內(nèi)，木板和鋁板的光譜吸收比分別為、，且<。在長波范圍內(nèi)則相反。當木板和鋁板同時長時間地放在陽光下時，鋁板溫度比木板高，試解釋這種現(xiàn)象。答： 在短波(范圍內(nèi)，在陽光下鋁吸收的太陽能比木板多。對于長波（紅外線）范圍內(nèi)，鋁與周圍物體進行輻射傳熱時輻射散熱比木板少，所以在陽光下鋁板溫度比木板高。8-16 如圖8-48所示的兩組平行表面的大小、形狀和相對位置距相同。圖a中表面1和2的溫度自左向右均呈線性遞增；圖b中表面1的溫度自左向右呈線性遞減，而表面2與圖a中的表面2相同。顯然，圖8-48a、b中表面1輻射到表面2的能量不同，即二者角度系數(shù)X1，2不同。根據(jù)角度系數(shù)純粹是幾何因素，上述兩種情況的幾何因素相同，其角度系數(shù)也相同。以上情況如何解釋？ 答： 角系數(shù)純粹是幾何因素和結論是在漫射表面和均勻輻射的基礎上得到的，離開這兩個條件角系數(shù)就不純粹是幾何因素。本題兩種情況均不是均勻輻射