傳熱學B期末試題及答案

1、試題A: 一、簡答題（每題4分，共40分）.黑體的單色輻射率最大位置隨溫度升高是向長波方向還是向短波方向移動？這種移動的 規(guī)律是由哪個定律確定的？答：向短波方向移動，維恩位移定律.對于過熱器中：高溫煙氣 一外壁一內壁一過熱蒸汽的傳熱過程次序為什么？答：復合換熱、導熱、對流換熱.絕熱邊界是第幾類邊界條件？邊界上的溫度梯度是多少? 答：第二類邊界條件，邊界上的溫度梯度為零。.半徑為R的長圓柱，水平放置在空氣中冷卻，已知空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂禐?h,導熱系數為1,圓柱體的導熱系數為 2。請寫出此時的畢渥數與努塞爾數。答：Bi空NuhR1.有一表面為灰體的物體放在一個大房間中，房間可看做黑體。試畫出由該兩

2、個表面構成的封閉空間的輻射換熱網絡圖。（房間面積與物體表面積相比可以認為無限大）.暖氣片的肋片加在空氣側，請解釋原因？答：空氣側對流熱阻比水側對流熱阻以及管壁的導熱熱阻大很多，所以肋片加在空氣側， 可以減小總熱阻，明顯增大傳熱系數。. Bi數滿足什么條件，就可以使非穩(wěn)態(tài)導熱問題按第三類邊界條件所求解的結果轉化為第 一類邊界條件的解？為什么？答：假設Bi數為無窮大，此時表面溫度與周圍流體溫度相等，為第一類邊界條件。.已知某黑體向外發(fā)出的定向輻射強度為 Ib 10000W/（m2 sr）,求該黑體的溫度為多少?Eb 1bT=863K.肋效率是不是越高越好？當肋效率f 1時，肋高是多少？答：肋效率不

3、是越高越好。肋片高度分別為 0時肋效率f 1 0.有兩塊平行放置的大平壁，其中之一是黑體，另一塊是灰體。若兩者溫度相等。試問黑 體與灰體中哪個輻射力大？黑體與灰體之中哪個有效輻射大？為什么？答：黑體的輻射力大。有效輻射兩者相等，因為處于熱平衡，J=Eb。二、實驗題（10分）寫出水自然對流換熱實驗的數據整理成的公式形式，實驗中如何實現(xiàn)自然對流換熱？實驗裝置中的冷卻管和輔助加熱管有什么作用？ TOC o 1-5 h z 答：Nu C（Gr?Pr）n4 分為實現(xiàn)自然對流換熱應使測試管與水的溫差足夠小。3分實驗裝置中的冷卻管和輔助加熱管可以使容器中的水溫各處均勻一致。3分三、計算題（共50分）1、（1

4、0分）在一臺1-2型殼管式冷卻器中，管內冷卻水從16c升高到35C,管外空氣從119c下降到45Co空氣流量為19.6kg/min,溫差修正系數0.92,換熱器的總傳熱系數為k=84W/（m2.K）。試計算所需的傳熱面積。已知水cp 4.2kJ/（kg.K），空氣Cp 1.009kJ/(kg.K) . . . . _ TOC o 1-5 h z 解：根據已知條件 qm1 19.6/60 0.327kg/st1 119ct145ct216ct2 35 c k=84W/(m 2 .K)根據熱平衡方程qm1Cp1 (t1 t1 )=0.327 1.009 X(119-45) =24.42 kW 3

5、分(119 35) (45 16),119 35ln45 1651.72 c，、逆流時對數平均溫差t（t1匕）（t13Im.ln -tt2溫差修正系數0.92 ,則平均溫差tm2分t碓 0.92 51.72 47.58 c 2 分根據傳熱方程 A 6.1m24分k tm2、（10分）已知一漫射表面，具光譜吸收比與波長的關系可表示為： 虐3叩時，a （力=0.4; 仁36四時，a （入）=0.8; A6四時，a（A =00光譜投入輻射G入按波長分布的關系為：入 08m時，G=4000W/m2叩；入即時，GF0O在某一瞬間，測得表面溫度為 1100K。試計變化單位表面積所吸收的輻射能；該表面的發(fā)射

6、率及輻射力；設物體內無內熱源，無其它形式熱量傳遞，確定在此條件下物體表面的溫度隨時間如何黑體輻射函數表T/ m.K1。）T/ m.KG )30000.27364000.76931000.29665000.77632000.31866000.78333000.34067000.78934000.36268000.79635000.38369000.802解：（1）0.4()Gd400063 ( )Gd0.8 4000()Gd 8 ()G d4800 960014400W/m21T13 1100 3300 m.K,i）0.3406 1100 6600 m.K,Fb(02)0.783漫射表面，（）(

7、1 ) Fb(01)( 2)Fb(1 2)0.4 0.3400.8 (0.783 0.340)0.49T4 0.49 5.67 108 11004 40677W/m2（3）該表面發(fā)出的輻射能已超過全部投入輻射能，因此表面溫度隨時間降低。2分3、（10分）一鋼板初始溫度為500C ,將其置于20c的空氣中。已知鋼板厚 二20mm,；=45W/m.K, a=1.37 X0-5m2/s, h=35 W/m2.K。求：使鋼板冷卻到與空氣相差10c所需的時間。解：Biv350.01457.78 10 3溫度為50c的平板，試 求出整個平板的平均表面?zhèn)鳠嵯禂狄约翱諝馀c單位寬度平板的換熱量。大氣壓力下干空氣

8、熱物理性質表解：空氣定性溫度t 1t t 40 C TOC o 1-5 h z mw2查得40c的空氣物性參數分別為v=16.96 10-6m 一塊金屬與一塊塑料板，哪個導熱系數大？若兩塊板的厚度一樣，哪個導熱熱阻大?/s ,入=Z6M02W/m.K,Pr=0.6992 分在離平板前沿 250mm 處，Rel ul-0.5 0.257.37 1035X1052 分16,96 10 6即空氣流動為層流，外掠等溫平板Nu 0.664 Rel1/2 Pr1/3 0.664 7.37 103 1/2 0.6991/3 50.62 分則整個平板的平均表面?zhèn)鳠嵯禂? TOC o 1-5 h z h -Nu

9、 50.6 5.6W/(m2 K)2 分l0.251m寬平板與空氣的換熱量為Ahtw t 1 0.25 5.6 (50 30) 28W2 分試題B:一、簡答題（每題4分，共40分）1.請寫出熱擴散率a的表達式，并解釋其物理意義。答：a 物體內部溫度扯平的能力 c答：金屬導熱系數大。兩板厚度相同時，塑料板熱阻大。.非穩(wěn)態(tài)導熱諾謨圖中， 0的線代表第幾類邊界條件的解？ h答：即Bi為無窮大，邊界溫度等于流體溫度，代表第一類邊界條件的解。.寫出Pr數的物理意義。Pr 1時，運動邊界層和熱邊界層哪一個厚？答：Pr數為動量擴散率和熱擴散率的比值,Pr時熱邊界層厚。.請解釋光譜輻射力E ,其單位中“ m3

10、”代表什么？答：光譜輻射力是單位時間內單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射出去的包含的單位波長范圍內的輻射能，其單位的中分母“ m3”代表了單位波長和單位面積。.鍋爐的爐門打開時，站在正前方感覺很熱，而站在側面則不太熱，為什么？答：蘭貝特定律，輻射能按空間分布與緯度角的余弦成正比。.管內受迫流動換熱，短管的修正值是大于 1,還是小于1?答：大于1,因為有入口效應。. 一個平面發(fā)射出去的輻射能量所占的空間立體角有多大？答：2.平壁和圓筒壁外加保溫層，是不是一定可以起到保溫的作用？為什么？答：平壁外加保溫材料可以起到保溫的作用，因為增大了總熱阻。圓筒壁外加保溫層不一定起到保溫的作用，增大了導熱熱阻，但

11、是減小了外表面的對流換熱阻。.試畫出3個灰體表面構成的封閉系統(tǒng)的輻射網絡圖，并標明各輻射熱阻阻值。二、實驗題（10分）導熱系數實驗中如何對試件進行加熱？為何要采用 2塊試件并對稱布置？實驗中如何實驗一維導熱？答：采用電加熱。3分對稱加熱2塊試件，可以使加熱功率均勻地分配給 2個試件。3分試件四周采用輔助加熱，抵消向四周的散熱量，實現(xiàn)一維導熱。4分、計算題（共50分）（10分）一內直徑為300mm、厚為10mm的鋼管表面包上一層厚為 20mm的保溫材料， 鋼材料及保溫材料的導熱系數分別為 48 W/（m K）和0.1 W/（m K）,鋼管內壁及保溫層外壁 溫度分別為220 C及40 C,管長為1

12、0m。試求穩(wěn)態(tài)時：（1）該管壁的散熱量；（2）鋼管 與保溫層界面上的溫度。解：t1220oC, t440oC2 l(t1 t3)ln(d2/d1)/ 1 ln(d3/d2)/ 29591.25W2 3,1416 10 (220 40) ln(150 10)/150/48 ln( 150 10 20)/(150 10/0,12 l(t1 t2)ln(d2/d1)/ 19591.254 分2 3.1416 10 (220 t2) ln(150 10)/150/48t2 199.79oC2 分(10分)一臺逆流式換熱器用水來冷卻潤滑油。流量為 2.5kg /s的冷卻水在管內流動，其 進出口溫度分別為

13、15c和60C,比熱為4174J/(kg k);熱油進出口溫度分別為110c和 70C,比熱為2190J/(kg k)?？倐鳠嵯禂禐?00W/(m 2 k )。試計算所需的傳熱面積。解：qm2 2.5kg/s, cm2 4174J/(Kg K), t2 15oC, t260oC2 qm2cm2(t2 t21) 2.5 2190 (60 15) 4,7 105W3 分tmax t1t270 15 55oCtmint1 t2110 60 50oCtm mx-J55 5052.46oC 3 分ln( t max / tmin )ln(55/50)2 _ _ _. _5kA tm 400 A 52.4

14、6 4.7 105A 22.4m24 分（10分）設地表溫度為10C,后受冷空氣侵襲使地表溫度降為-15oC并維持不變，確定 這種條件下地面下1m處溫度降為 0oC時共需幾天？ 土壤物性為 2050kg/m3,0.52W /（ m K ） , c 1840J /（ kg K ）,高斯誤差函數表如下所示。（10分）0.520.560.600.640.68erf()0.537900.571620.603860.634590.663783.解：大地厚度無限大可用半無限大物體導熱法計算t twt0M xerf 1m,tw15oC, t0 10oCt 0oC0.522050 18401.379 1072

15、m /s2%a0.6_ t tw0 ( 15)0 tn； io ( i5)0.59521,5.1172 106s 59.2d（10分）水流過長度l=5m,壁面均勻的直管時，從tf 20 C被加熱到tf 30 C ,管子 的內徑直d=20mm,水在管內的流速為2m/s,設管壁與水的換熱溫差較小，且l/d60,飽和 水的熱物理性質如下表。求：（1）表面?zhèn)鳠嵯禂?；?）管子的平均壁溫。t/CCp106Prkg /m3J/(kg K)W/(m k)m2 /s20998.241830.5991.0067.0230995.741740.6180.8055.42解：水的平均溫度：tf tf tf 型q0 2

16、5利用線性插值法得:f 0.6085 W/ (mK) , f 0.9055 10 6m2/s, Prf=6.22f 996.95Kg/m3, Cpf 4.1785KJ/(Kg K)Ref ud 2 0.024.417 104，因此流體為湍流,且流體被加熱。3分f 0.9055 10 6(1) Nuf 0.023Ref08 Prf0.4 0.023 (4.417 104)0.8 6.22。4 248.51hdqo 一八Nuf 一,h (Nuf )/d(248.51 0.6085)/0.02 7.56 103W/(m2 K)3 分f(2)每秒鐘水的吸熱量等于管壁傳遞給水的熱量hA t CpfMf(tf tf ),htwd dl(tw tf) Cpf fU (tftf )25 36.02 CCpf fU 4 (tf tf )4.1785 996.95 2 0.02 (30 20)t f3h dl7.56 104 55. (10分)對于如右 圖所示結構，設所有內表面均是體，溫度均為450K,試計算從小孔向外輻射的能量。32 u u.i j0.7的漫射解：設小孔的面積為A1,其余為A2A1r12亂 3.1416 0.01628.04 10 4m24