傳熱學(xué)復(fù)習(xí)題答案

1、傳熱學(xué)復(fù)習(xí)題1. 試分別用數(shù)學(xué)語言將傳熱學(xué)術(shù)語說明導(dǎo)熱問題三種類型的邊界條 件。答： 第一類邊界條件：0時(shí)，tw = fl（.）0 時(shí) - （一）w = f2（ .） 第一類邊界條件：X 第三類邊界條件：（E）w =h（twtf）2. 肋片高度增加引起兩種效果：肋效率下降及散熱表面積增加。因 而有人認(rèn)為，隨著肋片高度的增加會(huì)出現(xiàn)一個(gè)臨界高度， 超過這個(gè)高 度后，肋片導(dǎo)熱熱數(shù)流量反而會(huì)下降。試分析這一觀點(diǎn)的正確性。答：錯(cuò)誤，因?yàn)楫?dāng)肋片高度達(dá)到一定值時(shí)，通過該處截面的熱流 密度為零。通過肋片的熱流已達(dá)到最大值，不會(huì)因?yàn)楦叨鹊脑黾佣l(fā) 生變化。3. 什么叫非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的正規(guī)狀態(tài)或充分發(fā)展階段？這一階段

2、在物理過程及數(shù)學(xué)處理上都有些什么特點(diǎn)？答：非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程進(jìn)行到一定程度，初始溫度分布的影響就會(huì) 消失，雖然各點(diǎn)溫度仍隨時(shí)間變化，但過余溫度的比值已與時(shí)間無關(guān)，只是幾何位置 （x/.） 和邊界條件（Bi數(shù)）的函數(shù)，亦即無量綱溫度分布不變，這一階段稱為正規(guī)狀況階段或充 分發(fā)展階段。這一階段的數(shù)學(xué)處理十分便利，溫度分布計(jì)算只需取無 窮級(jí)數(shù)的首項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算。4. 試說明Bi數(shù)的物理意義。Bi > o及Bi > ：:各代表什么樣的換熱條 件？有人認(rèn)為，Bi:代表了絕熱工況，你是否贊同這一觀點(diǎn)，為什 么？答；Bi數(shù)是物體內(nèi)外熱阻之比的相對(duì)值。Bi > o時(shí)說明傳熱熱 阻主要在邊界，內(nèi)部溫度

3、趨于均勻，可以用集總參數(shù)法進(jìn)行分析求解； Bi:時(shí)，說明傳熱熱阻主要在內(nèi)部，可以近似認(rèn)為壁溫就是流體溫 度。認(rèn)為Bi > o代表絕熱工況是不正確的，該工況是指邊界熱阻相對(duì) 于內(nèi)部熱阻較大，而絕熱工況下邊界熱阻無限大。5. 與完全的能量方程相比，邊界層能量方程最重要的特點(diǎn)是什么？ 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：2A x2二，因此僅適用于邊界層內(nèi)，不適用整個(gè)流體。6. 對(duì)流換熱問題完整的數(shù)字描述應(yīng)包括什么內(nèi)容？既然對(duì)大多數(shù)實(shí) 際對(duì)流傳熱問題尚無法求得其精確解，那么建立對(duì)流換熱問題的數(shù)字 描述有什么意義？答：對(duì)流換熱問題完整的數(shù)字描述應(yīng)包括：對(duì)流換熱微分方程組 及定

4、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(duì)流換熱問題的數(shù)字描述目的在于找出影響對(duì)流換 熱中各物理量之間的相互制約關(guān)系， 每一種關(guān)系都必須滿足動(dòng)量，能 量和質(zhì)量守恒關(guān)系，避免在研究遺漏某種物理因素。7什么叫做兩個(gè)現(xiàn)象相似，它們有什么共性？答：指那些用相同形式并具有相同內(nèi)容的微分方程式所描述的現(xiàn) 象，如果在相應(yīng)的時(shí)刻與相應(yīng)的地點(diǎn)上與現(xiàn)象有關(guān)的物理量對(duì)于成比例，則稱為兩個(gè)現(xiàn)象相似。凡相似的現(xiàn)象，都有一個(gè)十分重要的特性，即描述該現(xiàn)象的同名 特征數(shù)（準(zhǔn)則）對(duì)應(yīng)相等。（1）初始條件。指非穩(wěn)態(tài)問題中初始時(shí)刻的物理量分布。（2）邊界條件。所研究系統(tǒng)邊界上的溫度（或熱六密度）

5、、速度 分布等條件。（3）幾何條件。換熱表面的幾何形狀、位置、以及表面的粗糙度 等。（4）物理?xiàng)l件。物體的種類與物性。8什么叫大空間自然對(duì)流換熱？什么叫有限自然對(duì)流換熱？這與強(qiáng) 制對(duì)流中的外部流動(dòng)和內(nèi)部流動(dòng)有什么異同？答：大空間作自然對(duì)流時(shí)，流體的冷卻過程與加熱過程互不影響， 當(dāng)其流動(dòng)時(shí)形成的邊界層相互干擾時(shí)，稱為有限空間自然對(duì) 流。這與外部流動(dòng)和內(nèi)部流動(dòng)的劃分有類似的地方，但流動(dòng)的動(dòng) 因不同，一個(gè)由外在因素引起的流動(dòng)，一個(gè)是由流體的溫度不 同而引起的流動(dòng)。9.簡述Nu數(shù),Pr數(shù)，Gr數(shù)的物理意義.Nu數(shù)與Bi數(shù)有什么區(qū)別？ 無10什么叫膜狀凝結(jié)，什么叫珠狀凝結(jié) ？膜狀凝結(jié)時(shí)熱量傳遞過程的 主

6、要阻力在什么地方？答：凝結(jié)液體在壁面上鋪展成膜的凝結(jié)叫膜狀凝結(jié)，膜狀凝結(jié)的主要熱阻在液膜層，凝結(jié)液體在壁面上形成液珠的凝結(jié)叫珠狀凝結(jié)11. 從換熱表面的結(jié)構(gòu)而言，強(qiáng)化凝結(jié)換熱的基本思想是什么？強(qiáng)化沸 騰換熱的基本思想是什么？答：從換熱表面的結(jié)構(gòu)而言，強(qiáng)化凝結(jié)換熱的基本思想是盡量減薄粘滯在換熱表面上液膜的厚度，強(qiáng)化沸騰換熱的基本思想是盡量增加換熱表面的汽化核心數(shù)12. 什么叫光譜吸收比？在不同光源的照耀下， 物體常呈現(xiàn)不同的顏色，如何解釋？黑體的輻射具有漫射特性.如何理解從黑體模型（溫度均勻的空腔器壁上的小孔）發(fā)出的輻射能也具有漫射特性呢？13、試述角系數(shù)的定義?！敖窍禂?shù)是一個(gè)純幾何因子”的結(jié)論

7、是在什么 前提下得出的？答：表面1發(fā)出的輻射能落到表面2上的份額稱為表面對(duì)表面2 的角系數(shù)。“角系數(shù)是一個(gè)純幾何因子”的結(jié)論是在物體表面性質(zhì)及表面濕度均勻、物體輻射服從蘭貝特定律的前提下得出的。14、試述氣體輻射的基本特點(diǎn)。無15、什么是輻射表面熱阻？什么是輻射空間熱阻？答：出輻射表面特性引起的熱阻稱為輻射表面熱阻，由輻射表面形狀和空間位置引起的熱阻稱為輻射空間16、在圓管外敷設(shè)保溫層與在圓管外側(cè)設(shè)置肋片從熱阻分析的角度 有什么異同？在什么情況下加保溫層反而會(huì)強(qiáng)化其傳熱而肋片反 而會(huì)削弱其傳熱？答：在圓管外敷設(shè)保溫層和設(shè)置肋片都使表面換熱熱阻降低 而導(dǎo)熱熱阻增加，而一般情況下保溫使導(dǎo)熱熱阻增加

8、較多，使換 熱熱阻降低較少，使總熱阻增加，起到削弱傳熱的效果；設(shè)置肋 片使導(dǎo)熱熱阻增加較少，而換熱熱阻降低較多，使總熱阻下降， 起到強(qiáng)化傳熱的作用。但當(dāng)外徑小于臨界直徑時(shí)，增加保溫層厚 度反而會(huì)強(qiáng)化傳熱。理論上只有當(dāng)肋化系數(shù)與肋面總效率的乘積 小于1時(shí)，肋化才會(huì)削弱傳熱。17試用簡練的語言說明導(dǎo)熱、對(duì)流換熱及輻射換熱三種熱傳遞方式 之間的聯(lián)系和區(qū)別。答：導(dǎo)熱和對(duì)流的區(qū)別在于：物體內(nèi)部依靠微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而 產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，稱為導(dǎo)熱；對(duì)流則是流體各部分之間發(fā)生 宏觀相對(duì)位移及冷熱流體的相互摻混。聯(lián)系是：在發(fā)生對(duì)流換熱 的同時(shí)必然伴生有導(dǎo)熱。導(dǎo)熱、對(duì)流這兩種熱量傳遞方式，只有在物質(zhì)存在的條件下

9、才能實(shí)現(xiàn)，而輻射可以在真空中傳播，輻射換熱時(shí)不僅有能 量的轉(zhuǎn)移還伴有能量形式的轉(zhuǎn)換。18. 如何減少測溫套管溫度計(jì)的測量誤差？（1）選用導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料做套管（2）盡量增加套管的高度（3）減少套管的厚度（4）加強(qiáng)流體與套管壁之間的換熱（5）在套管外包一層保溫膜19. 請解釋非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析中的集總參數(shù)法，其適用條件是什么？為 何可以在這種條件下使用？答：當(dāng)固體內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻小于其表面的換熱熱阻是，固體內(nèi)部的溫度趨于一致，近似認(rèn)為固體內(nèi)部的溫度T僅是時(shí)間（tao ）的一元函數(shù) 而與空間坐標(biāo)無關(guān)，這種忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻的簡化方法稱為集總 參數(shù)法（3分），通常當(dāng)畢奧數(shù)Bi<0.1時(shí)，采用集總

10、參數(shù)法求解溫度響 應(yīng)誤差不大20. 什么是流動(dòng)邊界層與熱邊界層？它們的厚度之比與普朗特?cái)?shù)是否 有關(guān)？為什么？答：當(dāng)流體沿壁面流動(dòng)時(shí)，由于流體的粘性作用，使壁面附近的流體速度降低，通常用相對(duì)于流速(U答案打不出來，有空來抄下21. 輻射網(wǎng)絡(luò)中的絕熱表面可否稱之為重輻射面？它具備哪兩重性質(zhì)？為什么？計(jì)算題1、雙層玻璃窗系由兩層厚為 6mm的玻璃及其間的空氣隙所組成，空氣隙厚度為8mm。假設(shè)面向室內(nèi)的玻璃表面溫度與室外的玻璃表面溫度各為20 C及-20 C,試確定該雙層玻璃窗的熱損失。如果采用單層玻璃窗，其他條件不變，其熱損失是雙層玻璃的多少倍？玻璃窗的尺寸為60cm 60cm。不考慮空氣間隙中的自

11、然對(duì)流。玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為0.78Wti -七2q1二匚2712-, , , 2123= 116.53W/mq2t2 二 5200w/ m16 / 11.Q =Aq =41.95Wq25200 一 2所以q144.62 116.53100W/m。2、一直徑為30mm，壁溫為100 C的管子向溫度為20C的環(huán)境放熱，熱損失率為為把熱損失減少到50W/m，有兩種材料可以同時(shí)被應(yīng)用。材料A的導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W /(m.K),可利用度為3.14 10-3m3 /m ； 材料B的導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 W /(m.K)，可利用度為4.0"O-3m3/m。試分析如何敷設(shè)這兩種材料才能達(dá)到上述要求。假設(shè)

12、敷設(shè)這兩種材料后，外表面與環(huán)境間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與原來一樣。(2-19)解：根據(jù)題意有：*=2"Tlh(t1 -t2)=0.03H%h(100-20)=100，解得 h= 13.2696按題意有：將導(dǎo)熱系數(shù)大的放在內(nèi)側(cè)，2 2_32 2_3兀(口 0.0152) =3.1410r0.035m，兀(a n ) = 4乂 10 a = 0.049m解方程組得：2：二12In(1/5 )Jn(Q/r1 L 1/. 1/. 2 hr 22兀(100 20 )=In 0.035/0.015 In 0.049/0.03510.50.113.26 0.049= 76.1/ 2(ri0.0152) =

13、4"0彳* = 0.03871m 兀(r22 )=3.14匯 10r2 = 0.0492江1(匕-t?)'=In/心)Jn(D/r1 L 1/. 1/. 2h22二 100-20二 43.72=In 0.03871/0.015 In 0.049/0.0387110.10.513.26x0.0493、一塊厚20mm 的鋼板，加熱到500。后置于20C的空氣中冷卻。設(shè)冷卻過程中鋼板兩2 2側(cè)面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為35 W /( m K )，鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)為45 W /( m K )，若擴(kuò)散率為_521.375 10 m / s。試確定使鋼板冷卻到空氣相差hABi =0.0078

14、c 0.1解：由題意知-10oC時(shí)所需的時(shí)間。(3-13 )故可采用集總參數(shù)法處理。由平板兩邊對(duì)稱受熱,板內(nèi)溫度分布必以其中心對(duì)稱，建立微分方程，引入過余溫度，則得:I i cv hA v - 0 dT日(0) =t t = Toe) =exp(-竺三) ：c(V/A)日 z hA“ h&exp( )=exp(解之得：豈：cv當(dāng)V -100C時(shí)，將數(shù)據(jù)代入得， =3633s54、已知：1.013 10 Pa、100C的空氣以v=100m/s的速度流過一塊平板，平板溫度為30C。 求：離開平板前緣3cm及6cm處邊界層上的法向速度、流動(dòng)邊界層及熱邊界層厚度、局部切應(yīng)力和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、

15、平均阻力系數(shù)和平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。(5-12 )解：定性溫度tm100302二 65C丸=0.0293W/(m K )= 0.695 v =19.5漢 10m2 / sp = 1,045kg/m35?(1)X =3cm 處,Rex仝=0.03 100 10 1.538 105v 19.5v§=100><0.87/(1.538><105 f = 0.2218m/s*5 -1'2動(dòng)量邊界層厚度=4.64 0.03 1.538 100.355mm、t 二 Pr3=0.695 二3 0.355 二 0.398mm= 8.61 kg. m s20.323 h2：

16、_ 0.323 1.045 1002.Rex1.538 105hx =0.332 丄 RePr13 =0.332 0.02931.538 105 0.695 =112.6W m2 Kx0.035、對(duì)于恒壁溫邊界條件的自然對(duì)流，試用量綱分析方法導(dǎo)出：Nu -f （Gr,Pr）。提示：在自然對(duì)流換熱中g(shù)a t起相當(dāng)于強(qiáng)制對(duì)流中流速的作用。（6-2）解: h(g-=t)cLLt" MltC Ml'LJ't'I Ml 和】n - r =7 - 4 = 3=(二仆鳥2, 5)=0則各準(zhǔn)內(nèi)涵表達(dá)式如下展開：a1 b1” c1d1二=hL ©'=t)二 2

17、= ：?La2 妙 c2(g：，t)d2二3=cLa3'b3 c3(g：t)d3：1= M d JT JLa1Mb ±1T 叫 c1L°T1：b1 c1 _b1.3b1-c1 _2d1 , a1!b1_c1 d1=MTL解得：b1 二-1, c1 =0, d1 =0, a1 =1=人1&7 °(gaAt)0 =hL/& = Nu3 a2b2b2 b23b2c2 c2c2 d 22d 2二 2=MLLM 二 L T M L T L T_ m 1 b2a2 b2_c2 d2=山2丁 ：b2 _c2_d2二 b2=0, c2=-1, d2=1/2

18、, a2=3/2各系數(shù)乘以2得：兀2 = P2L3n IgaAt)1 =° ga也tL3/3 =Gr2.12 a3b3 b3. b33b3c3 c3 c3 d3 2d3二3=LrTL Mr LT M L T L T.2 a3 b3 -c3 d 3 4 -b3 2Ab3-c3 3d3 b3 c3=L3TM=b3 =-1, c3 =1, d3 = 0, a3 = 0二3 二 cL4 1( t)0 二c 廠二 Pr即原則性準(zhǔn)則方程：Nu 二 f(Gr,Pr)6、已知：一個(gè)亞音速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的最大風(fēng)速可達(dá)40m/s。設(shè)來流溫度為30C，平板壁溫為5570C,風(fēng)洞的壓力可取1.013 10 Pa

19、。求：為了時(shí)外掠平板的流動(dòng)達(dá)到5 10的Rex數(shù),平板需多長。如果平板溫度系用低壓水蒸氣在夾層中凝結(jié)來維持，平板垂直于流動(dòng)方向的寬度為20cm時(shí)。試確定水蒸氣的凝結(jié)量。（6-27 ）“ c空氣的物性 -20.02 1°",，=2.96 10°,0.694 Nu =0.0266Re0.805 Pr3 -298.3 30 =50解:2C,查附錄8得：-=0.0283W/m K，丁=17.95 106m2 /s, P 0.698,c40x匕 “517.95“0，ccc,Rex6 二 5 10 , x0.224m17.95 10-640,Nu =O.664Re0.5 Pr

20、1/3 =0.664沢(5“05 x0.6 9® = 4 1 爲(wèi), h =416.5x0,0283/0.224 = 52.62W/(m2 K )G =2hA ：t =52.62 0.2 0.22470 30 =94.3W3在 t =70 c時(shí)，氣化潛熱 r = 2334.1 10 J/ kg ,94.3 36002334.1 103=0.1454kg / h。Rexul 5 0.5-20.02 10=1248757、已知：一管道內(nèi)徑為 500mm,輸送150C的水蒸氣，空氣以5m/s的流速橫向吹過該管, 環(huán)境溫度為-10C。求：單位長度上的對(duì)流散熱量。（6-35）解：d=0.5ms=

21、0.5X 3.14=1.57 m丄 150+(10) tf 二hm298.3 2.96 10,0.5-17.6598w (m2 k)二 h s（tw -t0） =17.6598 1.57 150 -（-10） = 4 4 3 648、已知：一輸送冷空氣的方形截面的管道，水平地穿過一室溫為28 C的房間，管道外表面平均溫度為12 C,截面尺寸為o.3m 0.3m。注意：冷面朝上相當(dāng)于熱面朝下，而冷面朝下則相當(dāng)于熱面朝上。水平板熱面向上時(shí)有:Ai = 0.15(GrPr)' 3(104 <GrPr<107)&(107 <GrPr< 1011)水平板熱面向下時(shí)

22、有:Ail = 0.27(&Pry 4(105 <GrPi<iOu6-48 )特征長度為A/P，其中A為表面積，P為周長。求：每米長管道上冷空氣通過外表面的自然對(duì)流從房間內(nèi)帶走的熱量。（丄28+12”t20解：不考慮相交面處的相互影響，二 2c, ' =°.0259W/mK_6匸=15.06 10, P20.703,對(duì)豎壁，特征尺寸丨=0.3，對(duì)上下表面，因?yàn)楣?3 = 0.15道長度遠(yuǎn)大于截面尺寸，故P 2L1、豎壁:15.062GrP,yPr8 1/293 28一12 °33 出？ 0.703 = 4.479 忖V.6 1/4Nu =0.59

23、4.479 10 i -48.3 。2、冷面朝上:Gr Pr =g=tl3Pr'*8 1/293 28 J2 °153 101215.0620.703 = 5.599 105Nu =0.27(GrPr= 0.27漢(5.599匯 105 S" = 0.27匯 27.35 = 7.3863、下表面：Nu =0.54 漢(5.599漢105 亍4 =14.77,Nu丸 L =送 hjAt=W i A也 tLi1 1 1= 0.3 128 -122 48.37.38614.770.0259_0.30.150.15= 0.3 162 4.16991.2752.550 = 4

24、.8 12.17 = 58.4W/m9、一爐膛內(nèi)火焰的平均溫度為1500K，爐墻上有一著火孔。試計(jì)算當(dāng)著火孔打開時(shí)從孔向外輻射的功率。該輻射能中波長為 2m的光譜輻射力是多少？哪種波長下的能量最多?(8-4 )解:EbT 'IJ00丿=287W/ m2-5% *人9.74 1010W/m3T= 1500K 時(shí)，m =1.93 10 m10. 9-10、已知：如圖。求：每一對(duì)邊的角系數(shù)、兩鄰邊的角系數(shù)及任一邊對(duì)管子的角系數(shù)。解：(1 )先計(jì)算任一邊對(duì)圓管的角系數(shù)。如下圖所示:設(shè)圓管表面為5，則由對(duì)稱性知:X5,15,25,35,41 =0.25二 x15 =玉乂51漢 0.25 =3.1

25、416 漢0.1 =0.31421,5 A 5,10.25(2 )再計(jì)算兩鄰邊的角系數(shù)。如圖示:X3,4AD AB - DF BE EF2ADBE 二 DF20.125、2-0.05二 0.1696marccos 匹IBO丿呵ccos0.05=1.2840.125 228 =兀 _2口 =兀一2X1.284 =0.5735 （弧度），EF = r £= 0.05乂 0.5735 = 0.02867，X3,4°25 2 一2 O.1695 。02867 =0.26472 0.25(3 )計(jì)算每一對(duì)邊角系數(shù)。如圖示：X3,1 =1X3,4 X3,2 X3,5 =1 -2 0.2647-0.3142 = 0.156411. 9-17、已知：如圖。求:X1,5解：首先利用上題的結(jié)果:=Xh4 =X2,4 =0.0933兀,3 4 廠 Xi,3 XM Xi,X1,3'X + A3'溝'X_ 2 X人3',3"" 人3'甸,3"*"乙人3',3"A 丿X 3'