(完整版)流體力學(xué)與傳熱學(xué)試題及答案

1、流體力學(xué)與傳熱學(xué)試題及參考答案一、填空題：（每空1分）1、對(duì)流傳熱總是概括地著眼于壁面和流體主體之間的熱傳遞，也就是將邊界層的和邊界層外的合并考慮，并命名為給熱。答案：熱傳導(dǎo)；對(duì)流傳熱2、在工程計(jì)算中，對(duì)兩側(cè)溫度分別為tl,t2的固體，通常采用平均導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行熱傳導(dǎo)計(jì)算。平均導(dǎo)熱系數(shù)的兩種表示方法是或。答案；兄=:幾=一223、圖3-2表示固定管板式換熱器的兩塊管板。由圖可知，此換熱器為管程，管程流圖3-23-18附圖答案：4；2415T3；3T51424、黑體的表面溫度從300C升至600C,其輻射能力增人到原來的倍.答案：5.39分析：斯蒂芬-波爾茲曼定律表明黑體的輻射能力與絕對(duì)溫度的4次

2、方成正比，而非攝氏溫度，即600+273,300+273TOC o 1-5 h z5.3-24用0.IMpa的飽和水蒸氣在套管換熱器中加熱空氣?？諝庾吖軆?nèi)，由20C升至60C,則管內(nèi)壁的溫度約為。答案：100C6、熱油和水在一套管換熱器中換熱，水由20C升至75C。若冷流體為最小值流體，傳熱效率0.65,則油的入口溫度為o答案：1（MC759Q分析：=二0.65/.7=104C7-2017、因次分析法的基礎(chǔ)是,又稱因次的和諧性。答案：因次的一致性TOC o 1-5 h z8、粘度的物理意義是促使流體產(chǎn)生單位速度梯度的o答案：剪應(yīng)力9、如果管內(nèi)流體流量増人1倍以后，仍處于滯流狀態(tài)，則流動(dòng)阻力增大

3、到原來的倍。答案：210、在滯流區(qū)，若總流量不變，規(guī)格相同的兩根管子串聯(lián)時(shí)的壓降為并聯(lián)時(shí)的倍。答案：411、流體沿壁面流動(dòng)時(shí)，在邊界層內(nèi)垂直于流動(dòng)方向上存在著顯著的，即使很小，仍然很大，不容忽視。答案：速度梯度；粘度；內(nèi)摩擦應(yīng)力12、雷諾數(shù)的物理意義實(shí)際上就是與阻力有關(guān)的兩個(gè)作用力的比值，即流體流動(dòng)時(shí)的與之比。答案：慣性力；粘性力13、滯流與湍流的本質(zhì)區(qū)別是。答案：滯流無徑向運(yùn)動(dòng)，湍流有徑向運(yùn)動(dòng)；二、問答題：（每小題8分）1、工業(yè)上常使用飽和蒸汽做為加熱介質(zhì)而不用過熱蒸汽，為什么？答：使用飽和蒸汽做為加熱介質(zhì)的方法在工業(yè)上已得到廣泛的應(yīng)用。這是因?yàn)轱柡驼羝c低于其溫度的壁面接觸后，冷凝為液體，

4、釋放出人量的潛在熱量。雖然蒸汽凝結(jié)后生成的凝液覆蓋著壁面，使后續(xù)蒸汽放出的潛熱只能通過先前形成的液膜傳到壁面，但因氣相不存在熱阻，冷凝傳熱的全部熱阻只集中在液膜，由于冷凝給熱系數(shù)很人，加上其溫度恒定的特點(diǎn)，所以在工業(yè)上得到口益廣泛的應(yīng)用。如要加熱介質(zhì)是過熱蒸汽，特別是壁溫高于蒸汽相應(yīng)的飽和溫度時(shí)，壁面上就不會(huì)發(fā)生冷凝現(xiàn)彖，蒸汽和壁面之間發(fā)生的只是通常的對(duì)流傳熱。此時(shí)，熱阻將集中在靠近壁面的滯流內(nèi)層中，而蒸氣的導(dǎo)熱系數(shù)又很小，故過熱蒸汽的對(duì)流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于蒸汽的冷凝給熱系數(shù)，這就大大限制了過熱蒸汽的工業(yè)應(yīng)用。2、下圖所示的兩個(gè)U形管壓差計(jì)中，同一水平面上的兩點(diǎn)A、E或C、D的壓強(qiáng)是否相等?PiP

5、z圖1111附圖12答：在圖1一1所示的倒U形管壓差計(jì)頂部劃出一微小空氣柱。空氣柱靜止不動(dòng)，說明兩側(cè)的壓強(qiáng)相等，設(shè)為P。由流體靜力學(xué)基本方程式：Pa=P+P空氣勸1+Q水勸1Pb=P+Pgh+p空氣g兒。水Q空氣PaPb即A、B兩點(diǎn)壓強(qiáng)不等。而Pc=P+Q空氣g人Pd=P+Q空氣g兒也就是說，Pc、卩。都等于頂部的壓強(qiáng)0加上兒高空氣柱所引起的壓強(qiáng)，所以C、D兩點(diǎn)壓強(qiáng)相等。同理，左側(cè)U形管壓差計(jì)中，Pa*b而Pc=Pd3、容器中的水靜止不動(dòng)。為了測(cè)量A、B兩水平面的壓差，安裝一U形管壓差計(jì)。圖示這種測(cè)量方法是否可行？為什么？答：如圖12,取11為等壓面。由Pi=1可知：Rf1圖1-21-2附圖P

6、g+pH,og(R+H)=Pa+Qog(力+日)+Ph/RPb=Pa+PhM將其代入上式，整理得(。血一Q比。)g=0丁Ph.-Phzo工：R=0R等于零，即壓差計(jì)無讀數(shù)，所以圖示這種測(cè)量方法不可行。4、圖1-6為典型的簡(jiǎn)單管路。設(shè)各段管徑相同，液體做穩(wěn)態(tài)流動(dòng)?，F(xiàn)將閥門由全開轉(zhuǎn)為半開，試分析下述參數(shù)如何變化？u；(2)p4:(3)p圖1一61-9附圖答：（1）閥門關(guān)小，其阻力系數(shù)增人,hfA_E增人，又Z1不變，即截面1流體的總機(jī)械能一定，故u減小。（2）考察1、A兩個(gè)截面間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系：由U減小知的必減小，又Z1不變，故P“增大。（3）在管段B、2之間做能量衡算：u減小,hfg減小，又匕不

7、變，故Pr將減小。三、計(jì)算題：（每小題12分）1、某固體壁厚b二500mm,其導(dǎo)熱系數(shù)2=1.0W/（加C）。已知壁的一側(cè)流體溫度T=230C,其對(duì)流傳熱系數(shù)a二50W/（m.C）;另一側(cè)流體溫度1=30C，對(duì)流傳熱系數(shù)a?=100W/（n?C）.若忽略污垢熱阻，試求：（1）熱通量q;（2）距熱壁面25mm處的壁溫J。圖3-1解：方法一先求熱通量，然后以（Tj）為傳熱推動(dòng)力,（+-）為對(duì)應(yīng)熱阻，求岀-。即將熱流體與壁面對(duì)流傳熱與代厚壁面的導(dǎo)熱綜合考慮。(1)熱通量qTOC o 1-5 h z11b1=dFKaAAa2咕嚀+血心咖(2)壁溫匚230300.53=378W/F1bx1ai2=230

8、-378(+500.0251)二213C2、將一銅球投入T=350C的恒溫油槽中。己知銅球的初始溫/產(chǎn)20C,質(zhì)量m=lkg,表面積A=0.01m2,比熱容c=0.406kJ/(kg-C),油與球外表面的對(duì)流傳熱系數(shù)Q二60W/O滬，C)。設(shè)可忽略銅球內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻，求6min后銅球的溫度分析：銅球投入油中后，隨即開始吸熱升溫過程。由于油溫不變，隨著球溫上升，傳熱推動(dòng)力即溫差減小，傳熱速率下降。而傳熱速率下降反過來又影響銅球的吸熱，使得球溫上升速度漸減。所以銅球與油品之間的傳熱為一非定態(tài)傳熱過程。解：設(shè)t為銅球的瞬時(shí)溫度，de秒時(shí)間內(nèi)，球溫升高df攝氏度。銅球的吸熱速率為Q=mc)de油對(duì)銅球

9、的傳熱速率為Q=aA(T-t)由題意，式(。)二式(b),即唸=噸7)dt分離變量de=aAT-t對(duì)(C)式進(jìn)行積分廣=竺r衛(wèi)JoT-t(c)代入己知數(shù)360=1x0.406x10乙型日60 x0.01350厶t2=156C6min后銅球升至156C。4、用泵將5C的水從水池吸上，經(jīng)換熱器預(yù)熱后打入某容器。已知泵的流量度lOOOkgh加熱器的傳熱速率為H.6W,管路的散熱率為2.09kw,泵的有效功率為1.2kw。設(shè)池面與容器的高度不變，求水進(jìn)入容器時(shí)的溫度。分析：本系統(tǒng)對(duì)水提供能屋的來源有二：泵和加熱器。泵所提供的能量除使水的機(jī)械能増加外，其余部分則因克服流動(dòng)阻力而轉(zhuǎn)化為熱能。這部分熱能和加

10、熱器加入的熱能，一部分散失到環(huán)境中，一部分被水吸收轉(zhuǎn)化為內(nèi)能使水溫升高。如果設(shè)法求出水的內(nèi)能增加值，該問題就迎刃而解。解：方法一(1)水的內(nèi)能增加值如圖3-3,以0-0面為基準(zhǔn)面，列1-12-2截面間的柏努利方程式，以表壓計(jì)。圖3-3乙g+邑+牛+叱.+憶+仏+與+匕P2p2式中U2一一截面1,2水的內(nèi)能，J,，Kg；Q加熱器加入的熱量，J/Kg。已知=u220P=p2=0Z=-4/7?Z2=10/?將其代入上式，整理得4=g(乙zj+也+。傳熱速率：0=11.62.09=9.5KW可寫成0=9m3600=3.42x104丿/Rg100017x103x祐00泵對(duì)水加入的能量：叱.=4.32x1

11、04J/1000水的內(nèi)能增加值：U=9.81X(-4-10)+4.32xlO3+3.42x104=3.84xlO4J/=38.4kJg(2)水溫取水的比熱容為4.19kJ/(kgC),則水進(jìn)入容器時(shí)的溫度為3.84xl044.19x10=14.2C方法二可先求水在單位時(shí)間吸收的熱量，然后求水溫。這個(gè)熱量由兩部分組成：一是加熱傳遞的熱量，再就是因克服流動(dòng)阻力由機(jī)械能轉(zhuǎn)化成的熱量。(1)水的吸熱速率以00、面為基準(zhǔn)面，列1、22截面間的柏努利方程，以表壓計(jì)。亦鄉(xiāng)+分-戀+分存+乙=-4w?Z2=10/H已知Pi=p2=0z/1=h2a0化簡(jiǎn)工心=(乙Z?)g+叱1.2x103x36001666=4

12、.32x103J/工巧=(-4-10)x9.81+4.32xl03=4.18xlO3J/因流動(dòng)阻力而產(chǎn)生的熱量為:S/?/=4.18xl03x10003600=l16xlOW水的吸熱速率：0=(116-2.09)x10+1.16x10=lQ.lkW（2）水溫=142C一1.07xl04x36001000 x4.19x10-4、某敞口貯油槽中裝有深度力為3加的機(jī)油,從直徑d為3m的油槽底部小孔中排出。小孔的面枳A?為0。002nr.假設(shè)油品自小孔排出時(shí)的流量系數(shù)C。=0.6,試求：（1）機(jī)油自小孔排出時(shí)的初始流量；（2）油面降至Ini時(shí)所需的時(shí)間。圖3-4分析：隨著機(jī)油的流出，油面不斷卜降，出II的流速和流量也不斷變化。對(duì)于此類不定態(tài)流動(dòng)，柏努力方程并不適用。但在本例中，小孔的截面積遠(yuǎn)小于貯油槽的截面積，液面高度的變化很緩慢，各流屋參數(shù)隨時(shí)間的變化率亦很小，故可做擬定態(tài)處理，仍可通過柏努力方程式求解。解：如圖1-22,以油槽液面為11、截面，以油槽底部2-2截面為基準(zhǔn)面，列11、22截面間的柏努力方程式，以表壓計(jì)。由題意Z=3/?乙=0a0將以上數(shù)據(jù)代入柏努力方程式，化簡(jiǎn)得:將G)引入“2=j2Zg=0.6-72x3x9.81=4.06/?/5初始流量Vs=u2A2=4.06x0.002=9.2x103/