工程傳熱學(xué)試題及其答案

1、傳熱學(xué)試題（環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院2003級使用）班級 姓名 學(xué)號 成績得分一、概念題（34分）1. （6分）非周期性的加熱或冷卻過程可以分為哪兩個階段，它們各自有什么特征答：非周期性的加熱或冷卻過程可以分為初始狀況階段和正規(guī)狀況階段（2分）。前者的溫度分布依然受著初始溫度分布的影響， 也就是說熱擾動還沒有擴散到整個系統(tǒng)， 系統(tǒng)中仍然存在著初始狀態(tài)，此時的溫度場必須用無窮級數(shù)加以描述（2分）；而后者卻是熱擾動已經(jīng)擴散到了整個系統(tǒng)，系統(tǒng)中各個地方的溫度都隨時間變化，此時溫度分布可以用初等函數(shù)加得分以描述（2分）。2. （6分）時間常數(shù)是從什么導(dǎo)熱問題中定義出來的？它與哪些因素有關(guān)？同一種物體 導(dǎo)熱過

2、程中的時間常數(shù)是不是不變的？:cV- 0=答：時間常數(shù)是從導(dǎo)熱問題的集總參數(shù)系統(tǒng)分析中定義出來的，為aA , （1分）從中不難看出，它與系統(tǒng)（物體）的物性、形狀大小相關(guān)，且與環(huán)境狀況（換熱狀況）緊密相聯(lián)（3分）。因此，同一物體處于不同環(huán)境其時間常數(shù)是不一樣的（2分）。得分答:3. （10分）寫出對流換熱過程中的無量綱準則 成，指出它們各自表示的物理意義？并指出Re數(shù)、Pr數(shù)、Pe數(shù)和Gr數(shù)的物理量組Nu數(shù)與導(dǎo)熱過程中產(chǎn)生的Bi數(shù)的差別？四個無量綱準則的物理量組成為: （各1分）Re = UoQ/；Pr = %;Pe = Pr, Re;Gr = g 眈 T%Re表征給定流場的流體慣性力與其黏性力

3、的對比關(guān)系；Pe表征給定流場的流體熱對流能力與其熱傳導(dǎo)（擴散）能力的對比關(guān)系；Pr反映物質(zhì)的動量擴散特性與其熱量擴 散特性的對比關(guān)系；Gr主要表征給定流場在浮升力作用下產(chǎn)生的流體慣性力與其黏性 力的對比關(guān)系。（各1分）Bi= a Ls/入s而Nu= a Lf/入f。從物理量的組成來看，Bi數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù) 入s為固體的值，而 Nu數(shù)的入f則為流體的值；Bi數(shù)的特征尺寸Ls在固體側(cè)定義，而 Nu數(shù)白L Lf則在流體側(cè)定義。 從物理意義上看，前者反映了導(dǎo)熱系統(tǒng)同環(huán)境之間的換熱性能與其導(dǎo)熱性能的對比關(guān)系，而得分后者則反映了換熱系統(tǒng)中流體與壁面地換熱性能與其自身的導(dǎo)熱性能的對比關(guān)系。（2分）4.（ 6分）

4、什么是熱邊界層？能量方程在熱邊界層中得到簡化所必須滿足的條件是什么? 這樣的簡化有何好處？答：流體流過壁面時流體溫度發(fā)生顯著變化的一個薄層（2分）。能量方程得以在邊界層中/: 2簡化，必須存在足夠大的貝克萊數(shù)，即 Pe = Re Pr»1 （2分），也就是具有 心 的數(shù)量;：20級，此時擴散項 F 才能夠被忽略。從而使能量微分方程變?yōu)閽佄镄推⒎址匠?，成為?求解的形式。（2分）得分5. （6分）什么是物體表面的黑度，它與哪些因素相關(guān)？什么是物體表面的吸收率，它與哪些因素相關(guān)？它們之間有什么區(qū)別？答：物體表面的黑度被定義為物體表面的輻射力與其同溫度下黑體輻射的輻射力之比（1分），它與

5、物體的種類、表面特征及表面溫度相關(guān)（1分）。物體表面的吸收率是表面對投入輻射的吸收份額 （1分），它不僅與物體的種類、表面特征和溫度相關(guān)，而且與投入 輻射的能量隨波長的分布相關(guān)，也就是與投入輻射的發(fā)射體的種類、溫度和表面特征相 關(guān)（1分）。比較兩者的相關(guān)因素不難看出它們之間的區(qū)別，概括地說黑度是物體表面自身的屬性，而吸收率確不僅與自身有關(guān)情況有關(guān)還與外界輻射的情況緊密相連（2分）。二、分析題（30分）得分得分1.（3分）一圓臺物體，如圖1所示, 兩端面溫度保持不變，且大端面溫 度溫度高于小端面，側(cè)表面為絕熱 面，試在圖2上繪出該圓臺內(nèi)溫度 沿軸向x的分布曲線。:（1 ）逆流式換熱器3. （6分

6、）畫出如下熱量傳遞過程中物理參數(shù)的變化曲線0A0Jm1cpi >qm2cp2 ）冷、熱流體沿換熱面的溫度變化。（2）順流式換熱器（qm1cpi =qm2Cp2） 冷、熱流體沿換熱面的溫度變化，以及壁面溫度的變化。得分3. （6分）建立右圖氣泡生成的條件。答：在液體沸騰過程中一個球形汽泡存在的條件是液體必須有一定2pv - pl =的過熱度。這是因為從汽泡的力平衡條件得出R , （3分）只要汽泡半徑不是無窮大，蒸汽壓力就大于液體壓力，它們各自對應(yīng)的飽和溫度就不同有Tvs ATls ；又由汽泡熱平衡條件有Tv= Tl ,而汽泡存在必須保持其飽和溫度，那么液體溫度Tl ATls,4. （5分）

7、求表面1對表面4的角系數(shù)xi,4的表達式（已知各表面面積以及 Xi+2, 3+4 ；Xi+2, 3； X2, 3+4； X2 3）。1+2, 3+4-X 1+2,3）-A i（X 2, 3+4-X i, 3）/A 2得分5. （10分）某一維導(dǎo)熱平板，無內(nèi)熱源，穩(wěn)態(tài)條件下，平板兩表面溫度分布分別為ti和t2,在這個溫度范圍內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系為入=1/ （ 3t）,求平板內(nèi)溫度分布。入=1/ （3 t）d . dt.八 一（'）=0 dX dX（2分）dt人C= C1dX1 dt -C1t dX分離變量，積分得：lnt= 3 Gx+C2代入邊界條件，C2=lnt（2分）（2分）1t2

8、C1（2分）,1 . t2.、t = eXp（ ln x ln t1）二 t1（2分）三、計算題（36分）1.（6分）直徑為57mm的管道，管道外表面溫度為100C,將它用導(dǎo)熱系數(shù)為 0.071W/m? C的石棉硅藻土材料保溫。保溫后保溫層外表面溫度不超過40 C ,每米管道最大熱損失不超過70VV試問該保溫層材料至少有多厚？即大于其對應(yīng)的飽和溫度，也就是液體必須過熱。（3分）得分答：已知 t 1=100 C t 2=40 C %= 0.071 W/ (m：C) ri=0.05mq1 =- 2 t1 -t2 )=70W/mr r2ln 一r1(3 分)r22 二ln=L -t2 )=0.382

9、4rq1所以 r 2=0.0418m(2 分)方r2-r 1=0.0133m(1 分)得分答:2.（12分）水以u=3m/s的流量在內(nèi)徑d =18mm的管內(nèi)流動，管子內(nèi)壁面的溫度保持tw =20 ,水的進口溫度tf' = 80七。試求水被冷卻到tf" = 50七時的管子長 度。給出水的物性量為：_23Cp =4.183kJ/(kg C); =66.4 10 W/(mC)= 980.5kg/m ;Pr = 2.77;.=0.447 10£m2/S;f = 438 10*kg/(mS)/w = 1004 10kg/(mS)1一Nu =1.86（RePr ） （18分）有

10、一面積為3m x 3m的方形房間，地板（表面2）的溫度為25 C,天花板（表 面1）的溫度為13C,四面墻壁部（表面 3）是絕熱的。房間高 2.5m,所有表面的 發(fā)射率為0.8。今查出表面1對表面2的角系數(shù)為0.25,試求地板與天花板之間的 輻射換熱量，以及墻壁的平衡溫度。（要求畫出網(wǎng)絡(luò)圖）（fw）計算公式：管內(nèi)層流流動換熱L08 1/3 ,、0.14定性溫度1Tf = (80 50) =65 CNu查處相關(guān)物性。ud4Re =8.05 10u為紊流代入紊流公式，得: 二10470w/m2 C 由能量平衡= 0.193 Rea618 Pr1/(1分)(1分)（2分）（2分）(2分)管內(nèi)紊流流動

11、換熱Nu=0.027Re Pr Cf-w)mCp(T -T )L = p2.36m得分(4分)得二.二d(Tf -Tw)RiR2R3由題意知房間輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)圖: 圖中各輻射熱阻為：1 - ;10.2；尸10.8 936 .;R4 =R5 =F1 X12；2 F2F1 X139 0.75 .;（1分）F2 X2,39M 0.75；(1分)Eb2=(toT24=5.67X 10-8X (298)4=447.145 ;Eb1=(toT14=5.67X 108X (286)4=379.356 。（1分）（1分）于是可以求得輻射換熱量為:Q1,2Eb1 - Eb2R1R3丁R2R4R5由于墻壁為絕熱表面，故 _2J2=423.278W/m , J1JJ3J3-J2-859.2W° (4 分)Q1=Q1,2= Q2