熱工基礎(chǔ)張學(xué)學(xué)思考題答案

1、熱工基礎(chǔ)第十章思考題答案1何謂表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)？寫出其定義式并說明其物理意義。答：q=h (tw-tf),牛頓冷卻公式中的 h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小反映對(duì)流 換熱的強(qiáng)弱。2用實(shí)例簡要說明對(duì)流換熱的主要影響因素。答：(1)流動(dòng)起因 室內(nèi)暖氣片周圍空氣的流動(dòng)是自然對(duì)流。而風(fēng)機(jī)中的流體由于受到 外力的作用屬于強(qiáng)迫對(duì)流。強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流的換熱效果是不同的。(2)流動(dòng)的狀態(tài) 流動(dòng)狀態(tài)有層流和湍流，層流和湍流的對(duì)流換熱強(qiáng)度不同，輸水 管路，水流速度不同，會(huì)導(dǎo)致水的流動(dòng)狀態(tài)由層流到湍流，那么這兩種流動(dòng)狀態(tài)對(duì)流換熱效果是不同的。(3)流體有無相變 水在對(duì)流換熱過程中被加熱變成水蒸氣，蒸氣在對(duì)流換熱過

2、程 中被冷卻變成水，這個(gè)過程會(huì)吸收和放出汽化潛熱，兩個(gè)換熱過程的換熱量不同。(4)流體的物理性質(zhì) 流體的物理性質(zhì)對(duì)對(duì)流換熱影響很大，對(duì)流換熱是導(dǎo)熱和對(duì) 流兩種基本導(dǎo)熱共同作用的結(jié)果。因此，比如水和油，金屬和非金屬對(duì)流換熱效果不同。(5)換熱表面的幾何因素 換熱器管路叉排和順排換熱效果不同，換熱管線直徑大 小對(duì)換熱效果也有影響。3對(duì)流換熱微分方程組有幾個(gè)方程組組成，各自到處的理論依據(jù)是什么？答：凱加P I M A及 » 連續(xù)性微分方程(2)熱量平衡方程(1)。白+喘+ 吟)=Fx - 容刀禧+ 系) 動(dòng)量平衡方程連續(xù)性微分程的依據(jù)是根據(jù)質(zhì)量守恒導(dǎo)出的熱量平衡方程是根據(jù)能量守恒導(dǎo)出的 動(dòng)

3、量平衡方程是根據(jù)動(dòng)量守恒導(dǎo)出的4何謂流動(dòng)邊界層和熱邊界層？它們的厚度是如何規(guī)定的。答：流動(dòng)邊界層是由于流體粘度造成速度變化的區(qū)域，即速度發(fā)生明顯變化的流體薄 層。速度達(dá)到處的y值作為邊界層的厚度，用 裱示。當(dāng)溫度均勻的流體與它所流過的固體壁面溫度不同時(shí)，在壁面附近會(huì)形成一層溫度變 化較大的流體層，稱為熱邊界層。過于溫度t-tw= (ts-tw)處到壁面的距離為熱邊界層的厚度。5簡述邊界層理論的基本內(nèi)容。答：(1)邊界層的厚度與壁面特征長度L相比是很小的量。(2)流場劃分為邊界層區(qū)和主流區(qū)。 流動(dòng)邊界層內(nèi)存在較大的速度梯度， 是發(fā)生動(dòng) 量擴(kuò)散的主要區(qū)域。在流動(dòng)邊界層之外的主流區(qū)， 流體可近似為理

4、想流體。熱邊界層內(nèi)存在 較大的溫度梯度，是發(fā)生熱量擴(kuò)散的主要區(qū)域，熱邊界層之外的溫度梯度可以忽略。(3)根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)，邊界層分為層流邊界層和湍流邊界層。湍流邊界層分為層流底層、緩沖層與湍流核心三層。層流底層內(nèi)的速度梯度和溫度梯度遠(yuǎn)大于湍流核心。(4)在層流邊界層與層流底層內(nèi)，垂直于壁面方向上的熱量傳遞主要靠導(dǎo)熱。湍流邊 界層的主要熱阻在層流底層。6邊界層理論對(duì)求解對(duì)流換熱問題有何意義？答：應(yīng)用邊界層理論分析對(duì)流換熱微分方程中各項(xiàng)的數(shù)量級(jí)，忽略高階小量，可以使對(duì)流換熱微分方程組得到合理的簡化，更容易分析求解。7層流邊界層和湍流邊界層在傳熱機(jī)理上有何區(qū)別？答：在層流邊界層內(nèi)，熱邊界層內(nèi)的溫度梯度的

5、變化比較平緩，垂直于壁面方向上的熱量傳遞主要依靠導(dǎo)熱。 而湍流邊界層內(nèi)，層流底層有很大的溫度梯度，熱量傳遞主要靠導(dǎo)熱；而湍流核心內(nèi)由于強(qiáng)烈的擾動(dòng)混合使溫度趨于均勻，溫度梯度較小，熱量傳遞主要靠對(duì)流。8何謂兩個(gè)物理現(xiàn)象相似？答：如果同類物理現(xiàn)象之間所有同名物理量場都相似，即同名的物理量在所有對(duì)應(yīng)瞬間、對(duì)應(yīng)地點(diǎn)的數(shù)值成比例，稱物理現(xiàn)象相似。9簡述相似理論的主要內(nèi)容。答：(1)物理現(xiàn)象相似的定義： 如果同類物理現(xiàn)象之間所有同名物理量場都相似，即同名的物理量在所有對(duì)應(yīng)瞬間、對(duì)應(yīng)地點(diǎn)的數(shù)值成比例，稱物理現(xiàn)象相似。(2)物理現(xiàn)象相似的性質(zhì)：彼此相似的物理現(xiàn)象，同名的相似特征數(shù)相等。(3)相似特征數(shù)之間的關(guān)

6、系： 所有相似的物理現(xiàn)象的解必定用同一個(gè)特征關(guān)聯(lián)式來 描寫，這意味著，從一個(gè)物理現(xiàn)象所獲得的特征關(guān)聯(lián)式適用于與其相似的所有物理現(xiàn)象。(4)物理現(xiàn)象相似的條件：同類現(xiàn)象；單值性條件相似；同名已定特征數(shù)相等。10如何判斷兩個(gè)現(xiàn)象是否相似？答：1)同類現(xiàn)象2)單值性條件相似3)同名已定特征數(shù)相等11相似理論對(duì)解決對(duì)流換熱問題有何指導(dǎo)意義？答：利用模型試驗(yàn)來模擬實(shí)際對(duì)流換熱過程，探索對(duì)流換熱規(guī)律，是目前求解復(fù)雜對(duì)流換熱問題的主要方法。 確定對(duì)流換熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式是模型實(shí)驗(yàn)研究的主要目的之一。相似理論回答了進(jìn)行模型試驗(yàn)所必須解決的3個(gè)主要問題：如何安排試驗(yàn)，怎樣整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的適用范圍。12分別

7、寫出努賽爾數(shù) Nu,雷諾數(shù)Re,普朗特?cái)?shù)Pr,格拉曉夫數(shù) Gr的表達(dá)式，并說明它們 的物理意義。答：努塞爾數(shù)，Nu hl/ ,它表示表面上無量綱溫度梯度的大小。雷諾數(shù)，Re旦，表征流體慣性力與粘性力的相對(duì)大小。普朗特?cái)?shù)Pr，表征流體動(dòng)量擴(kuò)散能力與熱量擴(kuò)散能力的相對(duì)大小。 a3格拉曉夫數(shù)Gr='-,表征浮升力與粘性力的相對(duì)大小。 q13努賽爾數(shù)Nu和畢渥數(shù)Bi的表達(dá)式的形式完全相同，二者有何區(qū)別?答：Bi表征第三類邊界條件下的固體導(dǎo)熱熱阻與邊界處的對(duì)流換熱熱阻之比，表達(dá)式中的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h由第三類邊界條件給定，熱導(dǎo)率混固體材料的熱導(dǎo)率，特征長度l是反映固體導(dǎo)熱溫度場幾何特征的尺度；而N

8、u表征流體在壁面外法線方向上的平均無量綱溫度梯度，其大小反映對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。Nu表達(dá)式中的h是特定參數(shù)， 混流體的熱導(dǎo)率，l是反映對(duì)流換熱固體邊界幾何特征的尺度。14何謂管內(nèi)流動(dòng)充分發(fā)展段和熱充分發(fā)展段？有何特點(diǎn)？答：流動(dòng)邊界層的邊緣在圓管的中心線匯合之后，圓管橫截面上的速度分布沿軸向不再變化，稱流體進(jìn)入流動(dòng)充分發(fā)展階段。特點(diǎn)：1）沿軸向的速度不變，其它方向速度為零。2）圓管橫截面上的速度分布為拋物線分布。3）沿流動(dòng)方向的壓力梯度不變，阻力系數(shù)f為常數(shù)。當(dāng)熱邊界層的邊緣在圓管中心線匯合之后，雖然流體的溫度仍然沿 x方向不斷發(fā)生變化，但無量綱溫度不再隨 x而變，只是r的函數(shù)，這時(shí)稱管內(nèi)的對(duì)流換熱

9、進(jìn)入熱充分發(fā)展階 段。特點(diǎn)：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿流動(dòng)方向保持不變。15試說明在運(yùn)用特征數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算對(duì)流換熱問題時(shí)應(yīng)該注意哪些問題。答：1）流體的流動(dòng)狀態(tài)。2）流體的物性，管道的幾何尺寸，管內(nèi)壁的粗糙度。3）管路進(jìn)口段的影響。4）流體物性場是否均勻。5）管壁及管內(nèi)流體溫度的變化。6）流動(dòng)的起因等。16試說明大空間內(nèi)沿豎直壁面的自然對(duì)流換熱的數(shù)學(xué)描述與沿豎直壁面的強(qiáng)迫對(duì)流換熱的 共同點(diǎn)與不同點(diǎn)。答：相同點(diǎn)：大空間豎壁自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流都可以用以上的方程組。不同點(diǎn)：純自然對(duì)流的特征關(guān)聯(lián)式：Nu=f (Gr, Pr)純強(qiáng)迫對(duì)流的特征關(guān)聯(lián)式：Nu=f (Re, Pr)17試說明大空間內(nèi)沿豎直壁面的自然對(duì)流換熱

10、的邊界層速度與沿豎直壁面的強(qiáng)迫對(duì)流換熱 有何區(qū)別？答：大空間豎壁自然對(duì)流換熱，浮升力是自然對(duì)流的動(dòng)力，反映浮升力與粘性力相對(duì)大小的Gr數(shù)對(duì)自然對(duì)流起決定作用。Gr數(shù)越大，自然對(duì)流換熱越強(qiáng)。而大空間豎壁強(qiáng)迫對(duì)流換熱，是慣性力與粘性力的作用下發(fā)生的，這就決定了自然對(duì)流邊界層內(nèi)的速度分布與強(qiáng)迫對(duì)流不同：自然對(duì)流的最大速度位于邊界層內(nèi)部，并隨著 Pr的增大無量綱速度的最大值減 小，并且位置向壁面移動(dòng)。而強(qiáng)迫對(duì)流的最大速度是在主流區(qū)，即在邊界層以外的區(qū)域。強(qiáng) 迫對(duì)流的邊界層內(nèi)有較大的速度梯度，但速度較小。18夏季和冬季頂層天棚內(nèi)表面處，房屋外墻外表面的對(duì)流換熱有何不同？答：夏季和冬季頂層天棚內(nèi)表面是自然對(duì)流換熱，冬季和夏季墻壁內(nèi)表面溫度不同，夏季高而冬季低。在夏季室內(nèi)空氣溫度低于屋頂天花板的溫度，在冬季夏季室內(nèi)空氣溫度高于屋頂天花板的溫度 。因此夏季屋頂天花板內(nèi)表面的自然對(duì)流換熱為熱面朝下(或冷面朝 上)，而冬季為冷面朝下(或熱面朝上)，因此兩者自然對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不相同，夏季 自流對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)低于冬季。夏季和冬季房屋外墻外表面是強(qiáng)迫對(duì)流換熱，冬季外墻溫度高于周圍空氣溫度， 夏季外墻溫度低于周圍空氣溫度，夏季是對(duì)流吸熱，冬季是對(duì)流放熱。19