傳熱學(xué)典型簡答題

一、基本概念主要包括導(dǎo)熱、對流換熱、輻射換熱的特點及熱傳遞方式辨析。1、 冬天，經(jīng)過在白天太陽底下曬過的棉被，晚上蓋起來感到很暖和，并且經(jīng)過拍打以后，效果更加明顯。試解釋原因。答：棉被經(jīng)過晾曬以后，可使棉花的空隙里進人更多的空氣。而空氣在狹小的棉絮空間里的熱量傳遞方式主要是導(dǎo)熱，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小(20°C，1.01325X10叩a時，空氣導(dǎo)熱系數(shù)為0.0259W/(m?K)，具有良好的保溫性能。而經(jīng)過拍打的棉被可以讓更多的空氣進入，因而效果更明顯。2、 夏季在維持20C的室內(nèi)工作，穿單衣感到舒適，而冬季在保持22C的室內(nèi)工作時，卻必須穿絨衣才覺得舒服。試從傳熱的觀點分析原因。答：首先，冬季和夏季的最大區(qū)別是室外溫度的不同。夏季室外溫度比室內(nèi)氣溫高，因此通過墻壁的熱量傳遞方向是出室外傳向室內(nèi)。而冬季室外氣溫比室內(nèi)低，通過墻壁的熱量傳遞方向是由室內(nèi)傳向室外。因此冬季和夏季墻壁內(nèi)表面溫度不同，夏季高而冬季低。因此，盡管冬季室內(nèi)溫度(22C)比夏季略高(20C)，但人體在冬季通過輻射與墻壁的散熱比夏季高很多。根據(jù)上題人體對冷感的感受主要是散熱量的原理，在冬季散熱量大，因此要穿厚一些的絨衣。3、 試分析室內(nèi)暖氣片的散熱過程，各環(huán)節(jié)有哪些熱量傳遞方式？以暖氣片管內(nèi)走熱水為例。答：有以下?lián)Q熱環(huán)節(jié)及熱傳遞方式由熱水到暖氣片管到內(nèi)壁，熱傳遞方式是對流換熱(強制對流)；由暖氣片管道內(nèi)壁至外壁，熱傳遞方式為導(dǎo)熱；由暖氣片外壁至室內(nèi)環(huán)境和空氣，熱傳遞方式有輻射換熱和對流換熱。4、 冬季晴朗的夜晚，測得室外空氣溫賢高于0C，有人卻發(fā)現(xiàn)地面上結(jié)有一層簿冰，試解釋原因(若不考慮水表面的蒸發(fā))。態(tài)，解：如圖所示。假定地面溫度為了T，太空溫度為T，設(shè)過程巳達穩(wěn)態(tài)，空氣與地面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h，地球表面近似看成溫度為T的黑體，太空可看成溫度為Tk的黑體。則由熱平衡:威L-4)=貝仃-琮)由于T〉0C，而T<0C，因此，地球表面溫度T有可能低于0C，即有可能結(jié)冰。a sky e一、基本概念本節(jié)的基本概念主要包括對傅里葉定律的理解，導(dǎo)熱系數(shù)的主要特點與性質(zhì)，建立物理問題所對應(yīng)的數(shù)學(xué)描寫及相應(yīng)的求解方法，邊界條件的處理，利用幾種典型幾何形狀物理問題解的特點繪制溫度場的分布曲

線，利用熱阻分析方法分析實際的物理問題，能處理變導(dǎo)熱系數(shù)的影響，以及利用肋片導(dǎo)熱的特點分析問題的實質(zhì)。1、一維無內(nèi)熱源、平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的溫度場如圖所示。試說明它的導(dǎo)熱系數(shù)入是隨溫度增加而增加，還是隨溫度增加而減?。縬—-^radt-一只(匯)也”=co^sl答：由傅立葉里葉定律， 次x圖中 I隨X增加而減小，因而'，隨2增加x而增加，而溫度t隨x增加而降低，所以導(dǎo)熱系數(shù)〃隨溫度增加而減小。2、如圖所示的雙層平壁中，導(dǎo)熱系數(shù)入，入為定值，假定過程為穩(wěn)態(tài)，試分析圖中三條溫度分布曲線所對應(yīng)的入和入的相對大小。答：由于過程是穩(wěn)態(tài)的，因此在三種情況下，熱流量中分別為常數(shù)，即:<^=-AA—=c^si

dx答：由于過程是穩(wěn)態(tài)的，因此在三種情況下，熱流量中分別為常數(shù)，即:<^=-AA—=c^si

dx所以對情形①:dtdx所以對情形①:dtdxdt

dxdt

dxdidx同理，對情形②：didu對情形③：3、在寒冷的北方地區(qū)，建房用磚采用實心磚還是多孔的空心磚好?為什么？答：在其他條件相同時，實心磚材料如紅磚的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.5W/(m?K)(35°C)，而多孔空心磚中充滿著不動的空氣，空氣在純導(dǎo)熱(即忽略自然對流)時，其導(dǎo)熱系數(shù)很低，是很好的絕熱材料。因而用多孔空心

磚好。4、兩種幾何尺寸完全相同的等截面直肋，在完全相同的對流環(huán)境（即表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和流體溫皮均相同）下，沿肋高方向溫度分布曲線如圖所示。請判斷兩種材料導(dǎo)熱系數(shù)的大小和肋效率的高低？答：對一維肋片，導(dǎo)熱系數(shù)越高時，沿肋高方向熱阻越小，因而沿肋高方向的溫度變化（降落或上升）越小。因此曲線1對應(yīng)的是導(dǎo)熱系數(shù)大的材料.曲線2對應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)小的材料。而且，由肋效率的定義知，曲線1的肋效率高于曲線2。5、用套管溫度計測量容器內(nèi)的流體溫度，為了減小測溫誤差，套管材料選用銅還是不銹鋼？答：由于套管溫度計的套管可以視為一維等截面直助，要減小測溫誤差（即使套管頂部溫度t盡量接近流體H溫度t），應(yīng)盡量減小沿套管長度流向容器壁面的熱量，即增大該方向的熱阻。所以，從套管樹料上說應(yīng)采f用導(dǎo)熱系數(shù)更小的不銹鋼。6、工程中應(yīng)用多孔性材料作保溫隔熱，使用時應(yīng)注意什么問題?為什么？答：應(yīng)注意防潮。保溫材料的一個共同特點是它們經(jīng)常呈多孔狀，或者具有纖維結(jié)構(gòu)，其中的熱量傳遞是導(dǎo)熱、對流換熱、熱輻射三種傳熱機理聯(lián)合作用的綜合過程。如果保溫材料受潮，水分將替代孔隙中的空氣，這樣不僅水分的導(dǎo)熱系數(shù)高于空氣，而且對流換熱強度大幅度增加，這樣材料保溫性能會急劇下降。7、入為變量的一維導(dǎo)熱問題。某一無限大平壁厚度為6，內(nèi)、外表面溫度分別為t、t，導(dǎo)熱系數(shù)為入八（1+bt）W/mK，試確定平壁內(nèi)的溫度分布和熱流通量。設(shè)平壁內(nèi)無內(nèi)熱源。 W1W2M瓦I，用（1+況）也二C]吊扁也營二W+qdx 2，i-f"ifL">'2!L]=_ ；——q——A.q——A.—=co^sl同學(xué)們可以根據(jù)口天的特點，按照題2的方法分析b>0和b<0對應(yīng)圖中哪一條曲線。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一、基本概念本節(jié)基本概念主要包括：對物理問題進行分析，得出其數(shù)學(xué)描寫（控制方程和定解條件）；定性畫出物體內(nèi)的溫度分布；集總參數(shù)法的定性分析；時間常數(shù)概念的運用；一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析解的討論；對海斯勒圖（諾謨圖）的理解；乘積解在多維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱中的應(yīng)用；半無限大物體的基本概念。1、 由導(dǎo)熱微分方程可知，非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱只與熱擴散率有關(guān)，而與導(dǎo)熱系數(shù)無關(guān)。你認(rèn)為對嗎？答：由于描述一個導(dǎo)熱問題的完整數(shù)學(xué)描寫不僅包括控制方程，還包括定解條件。所以雖然非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的控制方程只與熱擴散率有關(guān)，但邊界條件中卻有可能包括導(dǎo)熱系數(shù)入（如第二或第三類邊界條件）。因此上述觀點不對。2、 無內(nèi)熱源，常物性二維導(dǎo)熱物體在某一瞬時的溫度分布為t=2y%osx。試說明該導(dǎo)熱物體在x=0,y=1處的溫度是隨時間增加逐漸升高，還是逐漸降低。房=｛虱7+商7J —=4-2/Co￡J+4co￡r）答：由導(dǎo)熱控制方程 ，得：隊占_q_[ —= >0當(dāng)& 時，敞 ，故該點溫度隨時間增加而升高。3、兩塊厚度為30mm的無限大平板，初始溫度為20°C，分別用銅和鋼制成。平板兩側(cè)表面的溫度突然上升到60°C，試計算使兩板中心溫度均上升到56C時兩板所需時間之比。銅和鋼的熱擴散率分別為103X10-6m2/s，12.9X10-6m2/so答：一維非穩(wěn)態(tài)無限大平板內(nèi)的溫度分布有如下函數(shù)形式：兩塊不同材料的無限大平板，均處于第一類邊界條件（即Bi—8）。由題意，兩種材料達到同樣工況時，Bi數(shù)和 相同，要使溫度分布相同，則只需Fo數(shù)相等，因此：廣口古） '口匚氣（『尹II,兼，即'倘 朗，而6在兩種情況下相等，因此:12.910312.9103=0.1254、東北地區(qū)春季，公路路面常出現(xiàn)“彈簧”，冒泥漿等“翻漿”病害。試簡要解釋其原因。為什么南方地區(qū)不出現(xiàn)此病害?東北地區(qū)的秋冬季節(jié)也不出現(xiàn)“翻漿”？答：此現(xiàn)象可以由半無限大物體（地面及地下）周期性非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱現(xiàn)象的溫度波衰減及溫度波時間延遲特征來解釋。公路路面“彈簧”及“翻漿”病害產(chǎn)生的條件是：地面以下結(jié)冰，而地表面巳解凍（表面水無法滲如地下）。東北地區(qū)春季地表面溫度巳高于0°c,但由于溫度波的時間延遲，地下仍低于0°C,從而產(chǎn)生了公路路面“彈簧”及“翻漿”等病害。東北地區(qū)的秋冬季節(jié)，雖然地表面溫度巳低于0C,但由于溫度波的時間延遲，地下仍高于0C,從而不會產(chǎn)生“翻漿”。南方地區(qū)不出現(xiàn)此病害的原因是，由于溫度波衰減的特征，使得地下部分不會低于0C，當(dāng)然不會出現(xiàn)此病害。對流換熱概述一、基本概念主要包括對流換熱影響因素；邊界層理論及分析；理論分析法（對流換熱微分方程組、邊界層微分方程組）；動量與熱量的類比；相似理論；外掠平板強制對流換熱基本特點。,日（m1、由對流換熱微分方程 知，該式中沒有出現(xiàn)流速，有人因此得出結(jié)論：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與流體速度場無關(guān)。試判斷這種說法的正確性？答：這種說法不正確，因為在描述流動的能量微分方程中，對流項含有流體速度，即要獲得流體的溫度場，必須先獲得其速度場，“流動與換熱密不可分”。因此表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)必與流體速度場有關(guān)。2、 在流體溫度邊界層中，何處溫度梯度的絕對值最大?為什么？有人說對一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體，可以用貼壁處溫度梯度絕對值的大小來判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小，你認(rèn)為對嗎？答：在溫度邊界層中，貼壁處流體溫度梯度的絕對值最大，因為壁面與流體間的熱量交換都要通過貼壁處,日f知= 不動的薄流體層，因而這里換熱最劇烈。由對流換熱微分方程 '，對一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體入與At均保持為常數(shù)，因而可用”絕對值的大小來判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小。3、 簡述邊界層理論的基本論點。答：邊界層厚度6、&與壁的尺寸/相比是極小值；邊界層內(nèi)壁面速度梯度及溫度梯度最大；邊界層流動狀態(tài)分為層流與紊流，而紊流邊界層內(nèi)，緊貼壁面處仍將是層流，稱為層流底層；流場可以劃分為兩個區(qū)：邊界層區(qū)（粘滯力起作用）和主流區(qū)，溫度同樣場可以劃分為兩個區(qū)：邊界層區(qū)（存在溫差）和主流區(qū)（等溫區(qū)域）；對流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區(qū)域的導(dǎo)熱熱阻。層流邊界層的熱阻為整個邊界層的導(dǎo)熱熱阻。紊流邊界層的熱阻為層流底層的導(dǎo)熱熱阻。4、試引用邊界層概念來分析并說明流體的導(dǎo)熱系數(shù)、粘度對對流換熱過程的影響。答：依據(jù)對流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區(qū)域的導(dǎo)熱熱阻。層流邊界層的熱阻為整個邊界層的導(dǎo)熱熱阻。

紊流邊界層的熱阻為層流底層的導(dǎo)熱熱阻。導(dǎo)熱系數(shù)越大，將使邊界層導(dǎo)熱熱阻越小，對流換熱強度越大；粘度越大，邊界層（層流邊界層或紊流邊界層的層流底層）厚度越大，將使邊界層導(dǎo)熱熱阻越大，對流換熱強度越小。5、確定對流換熱系數(shù)h有哪些方法?試簡述之。答：求解對流換熱系數(shù)的途徑有以下四種：（1）建立微分方程組并分析求解―應(yīng)用邊界層理論，采用數(shù)量級分析方法簡化方程組，從而求得精確解,得到了Re,Pr及Nu等準(zhǔn)則及其準(zhǔn)則關(guān)系，表達了對流換熱規(guī)律的基本形式。（2）建立積分方程組并分析求解―先假定邊界層內(nèi)的速度分布和溫度分布然后解邊界層的動量和能量積分方程式求得流動、熱邊界層厚度，從而求得對流換熱系數(shù)及其準(zhǔn)則方程式。以上兩法目前使用于層流問題。（3）根據(jù)熱量傳遞和動量傳遞可以類比，建立類比律，借助于流動摩擦阻力的實驗數(shù)據(jù)，求得對流換熱系數(shù)。此法較多用于紊流問題。（4）由相似理論指導(dǎo)實驗，確定換熱準(zhǔn)則方程式的具體形式，提供工程上常用準(zhǔn)則方程式，求解準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式得到對流換熱系數(shù)。6、為什么熱量傳遞和動量傳遞過程具有類比性?答：如果用形式相同的無量綱方程和邊界條件能夠描述兩種不同性質(zhì)的物理現(xiàn)象，就稱這兩種現(xiàn)象是可類比的，或者可比擬的。把它們的有關(guān)變量定量地聯(lián)系起來的關(guān)系式就是類比律。可以證明，沿平壁湍流時的動量和能量微分方程就能夠表示成如下形式:Pra)7、有若干個同類物理現(xiàn)象，怎樣才能說明其單值性條件相似。試設(shè)想用什么方法對以實現(xiàn)物體表面溫度恒定、表面熱流量恒定的邊界條件？答：所謂單值條件是指包含在準(zhǔn)則中的各巳知物理量，即影響過程特點的那些條件一一時間條件、物理條件、邊界條件。所謂單值性條件相似,首先是時間條件相似（穩(wěn)態(tài)過程不存在此條件）。然后，幾何條件、邊界條件及物理條件要分別成比例。采用飽和蒸汽（或飽和液體）加熱（或冷卻）可實現(xiàn)物體表面溫度恒定的邊界條件，而采用電加熱可實現(xiàn)表面熱流量恒定的邊界條件。8、管內(nèi)紊流受迫對流換熱時，Nu數(shù)與Re數(shù)和Pr數(shù)有關(guān)。試以電加熱方式加熱管內(nèi)水的受迫對流為例，說明如何應(yīng)用相似理論設(shè)計實驗，并簡略繪制出其實驗系統(tǒng)圖。答：⑴模型的選取依據(jù)判斷相似的條件，首先應(yīng)保證是同類現(xiàn)象，包括單值性條件相似；其次是保證同名巳定準(zhǔn)則數(shù)相等。選取無限長圓管；圓管外套設(shè)有電加熱器。屬于管內(nèi)水的純受迫流動。⑵需要測量的物理量準(zhǔn)則數(shù)方程式形式為醞禎— ? 準(zhǔn)則數(shù)方程式形式為醞由Re、Nu、①=IU、牛頓冷卻公式 ，以及

根據(jù)相似準(zhǔn)則數(shù)之間存在由微分方程式?jīng)Q定的函數(shù)關(guān)系，對流傳熱準(zhǔn)則數(shù)方程式形式應(yīng)為皿二U（施實驗數(shù)據(jù)整理的任務(wù)就是確定C和n的數(shù)值。為此必須有多組的實驗數(shù)據(jù)。由多組的實驗數(shù)據(jù)，得：（Re、Pr）j-NUj川二棗瀘嵯心,上F=宓+MC , 左…將 轉(zhuǎn)化為直線萬程： ；由（Re、Pr）「Nu得乂「丫「確定系數(shù)n和C。。注意：為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，直線應(yīng)盡量使各點處在該線上，或均勻分布在其兩側(cè)。確定系數(shù)n和C的方法有圖解法（右圖）和最小二乘法。圖中的直線斜率即準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的。注意：為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，直線應(yīng)盡量使各點處在該線上，或均勻分布在其兩側(cè)。確定系數(shù)n和C的方法有圖解法（右圖）和最小二乘法。圖中的直線斜率即準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的n,截距即式中的IgC,⑷實驗結(jié)果的應(yīng)用趨=tan即根據(jù)相似的性質(zhì)，所得的換熱準(zhǔn)則數(shù)式可以應(yīng)用到無數(shù)的與模型物理相似的現(xiàn)象群，而不僅僅是實物的物理現(xiàn)象。之所以說是現(xiàn)象群，是因為每一個Re均對應(yīng)著一個相似現(xiàn)象群。簡單的實驗系統(tǒng)如圖所示。9、繪圖說明氣體掠過平板時的流動邊界層和熱邊界層的形成和發(fā)展。答：當(dāng)溫度為tf的流體以"^^速度流入平板前緣時，邊界層的厚度8=8t=0,沿著X方向，隨著X的增加，由于壁面粘滯力影響逐漸向流體內(nèi)部傳遞，邊界層厚度逐漸增加，在達到X距離（臨界長度X由Re來確定）之前，c cc邊界層中流體的流動為層流，稱為層流邊界層，在層流邊界層截面上的流速分布，溫度分布近似一條拋物線，如圖所示。在Xc之后，隨著邊界層厚度8的增加，邊界層流動轉(zhuǎn)為紊流稱為紊流邊界層，即使在紊流邊界層中，緊貼著壁面的薄層流體，由于粘滯力大，流動仍維持層流狀態(tài)，此極薄層為層流底層"，在紊流邊界層截面上的速度分布和溫度分布在層流底層部分較陡斜，近于直線，而底層以外區(qū)域變化趨于平緩。對流傳熱一、基本概念主要包括對流換熱影響因素；邊界層理論及分析；理論分析法（對流換熱微分方程組、邊界層微分方程組）；動量與熱量的類比；相似理論；外掠平板強制對流換熱基本特點。,Ha八阪r=— 墮1、由對流換熱微分方程 知，該式中沒有出現(xiàn)流速，有人因此得出結(jié)論：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與流體速度場無關(guān)。試判斷這種說法的正確性？答：這種說法不正確，因為在描述流動的能量微分方程中，對流項含有流體速度，即要獲得流體的溫度場，必須先獲得其速度場，“流動與換熱密不可分”。因此表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)必與流體速度場有關(guān)。2、在流體溫度邊界層中，何處溫度梯度的絕對值最大?為什么？有人說對一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體，可以用貼壁處溫度梯度絕對值的大小來判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小，你認(rèn)為對嗎？答：在溫度邊界層中，貼壁處流體溫度梯度的絕對值最大，因為壁面與流體間的熱量交換都要通過貼壁處不動的薄流體層，因而這里換熱最劇烈。由對流換熱微分方程 '，對一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體入與At均保持為常數(shù)，因而可用”絕對值的大小來判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小。3、簡述邊界層理論的基本論點。答：邊界層厚度6、七與壁的尺寸/相比是極小值；邊界層內(nèi)壁面速度梯度及溫度梯度最大；邊界層流動狀態(tài)分為層流與紊流，而紊流邊界層內(nèi)，緊貼壁面處仍將是層流，稱為層流底層；流場可以劃分為兩個區(qū)：邊界層區(qū)（粘滯力起作用）和主流區(qū)，溫度同樣場可以劃分為兩個區(qū)：邊界層區(qū)（存在溫差）和主流區(qū)（等溫區(qū)域）；對流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區(qū)域的導(dǎo)熱熱阻。層流邊界層的熱阻為整個邊界層的導(dǎo)熱熱阻。紊流邊界層的熱阻為層流底層的導(dǎo)熱熱阻。4、試引用邊界層概念來分析并說明流體的導(dǎo)熱系數(shù)、粘度對對流換熱過程的影響。答：依據(jù)對流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區(qū)域的導(dǎo)熱熱阻。層流邊界層的熱阻為整個邊界層的導(dǎo)熱熱阻。紊流邊界層的熱阻為層流底層的導(dǎo)熱熱阻。導(dǎo)熱系數(shù)越大，將使邊界層導(dǎo)熱熱阻越小，對流換熱強度越大；粘度越大，邊界層（層流邊界層或紊流邊界層的層流底層）厚度越大，將使邊界層導(dǎo)熱熱阻越大，對流換熱強度越小。5、 確定對流換熱系數(shù)h有哪些方法?試簡述之。答：求解對流換熱系數(shù)的途徑有以下四種：（1）建立微分方程組并分析求解___應(yīng)用邊界層理論，采用數(shù)量級分析方法簡化方程組，從而求得精確解，得到了Re,Pr及Nu等準(zhǔn)則及其準(zhǔn)則關(guān)系，表達了對流換熱規(guī)律的基本形式。（2）建立積分方程組并分析求解—先假定邊界層內(nèi)的速度分布和溫度分布然后解邊界層的動量和能量積分方程式求得流動、熱邊界層厚度，從而求得對流換熱系數(shù)及其準(zhǔn)則方程式。以上兩法目前使用于層流問題。（3）根據(jù)熱量傳遞和動量傳遞可以類比，建立類比律，借助于流動摩擦阻力的實驗數(shù)據(jù)，求得對流換熱系數(shù)。此法較多用于紊流問題。（4）由相似理論指導(dǎo)實驗，確定換熱準(zhǔn)則方程式的具體形式，提供工程上常用準(zhǔn)則方程式，求解準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式得到對流換熱系數(shù)。6、 為什么熱量傳遞和動量傳遞過程具有類比性？答：如果用形式相同的無量綱方程和邊界條件能夠描述兩種不同性質(zhì)的物理現(xiàn)象，就稱這兩種現(xiàn)象是可類比的，或者可比擬的。把它們的有關(guān)變量定量地聯(lián)系起來的關(guān)系式就是類比律?？梢宰C明，沿平壁湍流時的動量和能量微分方程就能夠表示成如下形式：dUTrdU1匕如7、 有若干個同類物理現(xiàn)象,怎樣才能說明其單值性條件相似。試設(shè)想用什么方法對以實現(xiàn)物體表面溫度恒定、表面熱流量恒定的邊界條件？答：所謂單值條件是指包含在準(zhǔn)則中的各巳知物理量，即影響過程特點的那些條件一一時間條件、物理條件、邊界條件。所謂單值性條件相似,首先是時間條件相似（穩(wěn)態(tài)過程不存在此條件）。然后，幾何條件、邊界條件及物理條件要分別成比例。采用飽和蒸汽（或飽和液體）加熱（或冷卻）可實現(xiàn)物體表面溫度恒定的邊界條件，而采用電加熱可實現(xiàn)表面熱流量恒定的邊界條件。8、 管內(nèi)紊流受迫對流換熱時，Nu數(shù)與Re數(shù)和Pr數(shù)有關(guān)。試以電加熱方式加熱管內(nèi)水的受迫對流為例，說明如何應(yīng)用相似理論設(shè)計實驗，并簡略繪制出其實驗系統(tǒng)圖。答：⑴模型的選取依據(jù)判斷相似的條件，首先應(yīng)保證是同類現(xiàn)象，包括單值性條件相似；其次是保證同名巳定準(zhǔn)則數(shù)相等。選取無限長圓管；圓管外套設(shè)有電加熱器。屬于管內(nèi)水的純受迫流動。⑵需要測量的物理量/g— , 準(zhǔn)則數(shù)方程式形式為 。由Re、Nu、①=IU、牛頓冷卻公式 ，以及，可確定需要測量的物理量有：qv，d,,L,,,I,Uo所有流體物性由定性溫度，可確定需要測量的物理量有：qv，d,,L,,,I,Uo所有流體物性由定性溫度查取水的物性而得。⑶實驗數(shù)據(jù)的整理方法根據(jù)相似準(zhǔn)則數(shù)之間存在由微分方程式?jīng)Q定的函數(shù)關(guān)系，對流傳熱準(zhǔn)則數(shù)方程式形式應(yīng)為實驗數(shù)據(jù)整理的任務(wù)就是確定C和n的數(shù)值。為此必須有多組的實驗數(shù)據(jù)。由多組的實驗數(shù)據(jù)，得：（Re、Pr）j-NUj將SgW轉(zhuǎn)化為直線方"5上由〈Re、P"得X—確定系數(shù)n和C。確定系數(shù)n和C的方法有圖解法（右圖）和最小二乘法。圖中的直線斜率即準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的n,截距即式中】2ftSt：】2ftSt：3戚節(jié)/；g勇"ianhF更■烤更7F娜找：k電匠春心一怡茍拒"】一電tO餌郭：代盤烤尼n-tan（G°=的lgC,即或均勻分布在其兩側(cè)。o注意：為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，直線應(yīng)盡量使各點處在該線上，⑷實驗結(jié)果的應(yīng)用根據(jù)相似的性質(zhì)，所得的換熱準(zhǔn)則數(shù)式可以應(yīng)用到無數(shù)的與模型物理相似的現(xiàn)象群，而不僅僅是實物的物理現(xiàn)象。之所以說是現(xiàn)象群，是因為每一個Re均對應(yīng)著一個相似現(xiàn)象群。簡單的實驗系統(tǒng)如圖所示。9、繪圖說明氣體掠過平板時的流動邊界層和熱邊界層的形成和發(fā)展。答：當(dāng)溫度為tf的流體以"^^速度流入平板前緣時，邊界層的厚度6="=0,沿著X方向，隨著X的增加，

由于壁面粘滯力影響逐漸向流體內(nèi)部傳遞，邊界層厚度逐漸增加，在達到X距離（臨界長度X由Re來確c cc定）之前，邊界層中流體的流動為層流，稱為層流邊界層，在層流邊界層截面上的流速分布，溫度分布近似一條拋物線，如圖所示。在X之后，隨著邊界層厚度6的增加，邊界層流動轉(zhuǎn)為紊流稱為紊流邊界c層，即使在紊流邊界層中，緊貼著壁面的薄層流體，由于粘滯力大，流動仍維持層流狀態(tài)，此極薄層為層流底層6「在紊流邊界層截面上的速度分布和溫度分布在層流底層部分較陡斜，近于直線，而底層以外區(qū)域變化趨于平緩。其中P、cp用定性溫度p=1.029其中P、cp用定性溫度p=1.0293 =1.009xl03，，0.694，帶入上式二、定量計算主要包括：類比率的應(yīng)用；相似原理的應(yīng)用；外掠平板的強制對流換熱。1、空氣以40m/s的速度流過長寬均為0.2m的薄板，tf=20°C，tw=120°C，實測空氣掠過此板上下兩表面時的摩擦力為0.075N，試計算此板與空氣間的換熱量（設(shè)此板仍作為無限寬的平板處理，不計寬度z方向的變化）。解應(yīng)用柯爾朋類比律反-—=7CE? 一—查教材附錄2（P309）“干空氣的熱物理性質(zhì)”確定。0.07V2 \0.07V2 \1.029x40694^1.029x1.OO^xlO3x40，得換熱量：重=或F），心心。.服況Q=30.17x(0.22x2)x(120-20)=241.4J/2、在相似理論指導(dǎo)下進行實驗，研究空氣在長圓管內(nèi)穩(wěn)態(tài)受迫對流換熱的規(guī)律，請問：（1）本項實驗將涉及哪幾個相似準(zhǔn)則？實驗中應(yīng)直接測量哪些參數(shù)才能得到所涉及的準(zhǔn)則數(shù)據(jù)？（3）現(xiàn)通過實驗并經(jīng)初步計算得到的數(shù)據(jù)如下表所示，試計算各試驗點Re數(shù)及Nu數(shù)？（4）實驗點1、2、3、4的現(xiàn)象是否相似？（5）將實驗點標(biāo)繪在lgNu及l(fā)gRe圖上。（6）可用什么形式的準(zhǔn)則方程式整理這些數(shù)據(jù)?并確定準(zhǔn)則方程式中的系數(shù)。⑺現(xiàn)有另一根長圓管，d=80mm，管內(nèi)空氣速度28.9m/s，t=150°C；t=50C，試確定管內(nèi)換熱現(xiàn)象與上述表中哪個現(xiàn)象是相似的?并用上表實驗結(jié)果確定此管內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。（8）又一未知流體的換熱現(xiàn)象，巳知其熱擴散率a=30.2X10-6m2/s，X=0.0305W/（mK）；v=21.09X10-6m2/s；d=65mm，管

內(nèi)流速23m/s，它是否與上表中的實驗現(xiàn)象相似?是否可以用上表實驗結(jié)果計算它的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)？為什么？如果能用，請計算其Nu數(shù)和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)？*管內(nèi)空偵換籬實晦敷掘最?沮'K(V]N(V)a建h(mA)d136193.01 15,0■SO2501931.5JG374}1^.0 I $7,5 4叫1睇解：㈠定性⑴由于是空⑵由Re=ud/U。⑶計算結(jié)果現(xiàn)象序號123456Re⑷由于⑸圖略（參⑹準(zhǔn)則方程確定涵二:溫度為為tf:氣在長管內(nèi)穩(wěn)態(tài)v、Nu=hd/入、:見下表：(1-4：t 入w°C W/m°C30 2.51X10-2507090150 2.83X10-23.05X10-2i豐&2Re:考教材P140圖5-!式形式為境—?受迫對流換熱，①=IU及①=hA(tt=10C；5：t=vm2/s14.16X10-617.95X10-621.09X10-63MRe4，所以-26)根據(jù)現(xiàn)=1gc+應(yīng)、所以涉及到的相-t）知道需要;：50°C，定性溫度dm50 :X10-3:80 ZX10-365X10-3現(xiàn)象1-4不相似。象1-4數(shù)據(jù)，利用MRe）中的C和似準(zhǔn)則是Re和Nu。測量的物理量有u、d、A=ndi為t)fu h R/ ,一 1gm/s W/m2C3.01 15 10624.門.5 28248.6 62.4.)7.5 60028.2 1144.106 126765.5 2115.B9 128823 70881最小二乘法(也可以用圖解n如下：L、t、t、I、e NuRe IgNu8.5 29.8802 1.487445 1.80.578 2.06.210 2.3202.26.7法確定C和n)，

R己產(chǎn)也肱ReJ-邑)乂史(也陽)虹廣_7 3-1 2-1言皿)2.1總(也電了2-135.64xlS.35-7.66x34.S2 「R己產(chǎn)也肱ReJ-邑)乂史(也陽)虹廣_7 3-1 2-1言皿)2.1總(也電了2-135.64xlS.35-7.66x34.S2 「一1S.353-4x84.824 4 4￡ （以跚J-花（LgR勺斗砰）i-l i-1 i-1LJ 」i-L1835x7.66-4x35.6418.352-4x84.82 -，所以準(zhǔn)則方程式為涵=匝2頃"二其中Re=10682.5-126765.5⑺因現(xiàn)象5雷諾數(shù)(Re=128802.2)與現(xiàn)象1-4雷諾數(shù)均不相等，所以現(xiàn)象5不與現(xiàn)象1-4均不相似；且由于其雷諾數(shù)巳超出了現(xiàn)象1-4的實驗范圍，所以無法用上述實驗結(jié)果確定現(xiàn)象5的表面換熱系數(shù)。⑻因現(xiàn)象6雷諾數(shù)(Re=70886.7)與現(xiàn)象1-4雷諾數(shù)均不相等，所以現(xiàn)象6不與現(xiàn)象1-4均不相似；但由于其雷諾數(shù)處于現(xiàn)象1-4的實驗范圍，所以可以用上述實驗結(jié)果確定現(xiàn)象6的表面換熱系數(shù)，方法如下：嘰,二0.02135R疽服=0.02135X7O886.70-752=132.63、溫度為50C，壓力為1.01325X105Pa的空氣，平行掠過一塊表面溫度為100C的平板上表面，平板下表面絕熱。平板沿流動方向長度為0.2m，寬度為0.1m。按平板長度計算的Re數(shù)為4X104。試確定：(1)平板表面與空氣間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱量;⑵如果空氣流速增加一倍，壓力增加到10.1325X10叩a,平板表面與空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱量。解：本題為空氣外掠平板強制對流換熱問題。(1)由于Re=4X104<5X105,屬層流狀態(tài)。故：油二質(zhì)驅(qū)"+穌)=!"1W+50)+穌)=!"1W+50)空氣定性溫度： * *°C空氣的物性參數(shù)為，Pr=0.70空氣的物性參數(shù)為，Pr=0.70^=—^=—=0.664x（4xl0（0.7）3=117.9故:, " 117.9x0.0299「「羅h= = =17.6I 02W/(m2.K)■二劇徐七)二1"危2司1叩00-列=1.散熱量 W媽二2^1巴二 0,二1?？?料二uJlO(2)若流速增加一倍，' 1,壓力 ，則匕TJ; Re土 的的?…5r蘭—=——=2xW=20p R& 四1%TOC\o"1-5"\h\z而： "，故：Re^=20x4xl04=3xlO5>5xlOJ所以： ，屬湍流。皿=(Q,商欣腿-871)咬=(0.037xfox1(/嚴(yán)-耶山Q芋據(jù)教材式(5—42b) =961?AM961x0.0299……h(huán)= = =143.6I 02W/(m2?K)^=143.6x0.1x0.2x(100-50)=143.6散熱量： ? 「 w三、本章提要以下摘自趙鎮(zhèn)南著，高等教育出版社，出版日期：2002年7月第1版《傳熱學(xué)》1、 對流換熱是一種非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象。它的熱流速率方程即牛頓冷卻公式。對流換熱問題的求解歸根結(jié)底圍繞著如何得到各種不同情況下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，它有局部值和平均值之分。影響單相流體對流換熱強弱的主要因素有流體的流動狀態(tài)、發(fā)生流動的原因、流體的各項有關(guān)物性以及表面的幾何形狀等。2、 邊界層理論在研究對流換熱現(xiàn)象時扮演了極重要的角色。邊界層概念歸根結(jié)底就是從數(shù)量級的觀點出發(fā)，忽略主流中速度和過余溫度1%的差異。速度邊界層和溫度邊界層的基本觀點可以概括地總結(jié)為以下的基本內(nèi)容(針對沿平壁的外部流動):(1)速度從零變化到幾乎等于主論速度主要發(fā)生在緊貼壁面的薄層內(nèi)：壁面上具有速度梯度的最大值；在壁面法線方向上，討以把流場劃分成邊界層區(qū)和主流區(qū)，主流可視為等速、無粘性的理想流體；壁面法線方向上不存在壓力梯度；在沿壁曲方向上流體依次為層流、過渡流和湍流狀態(tài)。(2)溫度的變化與速度相似(但必須以過余溫度，而不是來流溫度作為衡量的基準(zhǔn))，過余溫度99%的變化發(fā)生在薄薄的熱邊界層內(nèi)；壁面上具有最大的過余溫度梯度(該值即代表Nu數(shù))；在壁面的法線方向上將流場分為熱邊界層區(qū)和等溫的主流區(qū)，流體與壁面之間的熱量傳遞僅發(fā)生在熱邊界層區(qū)里。3、二維、低速、常物性、無體積力、無內(nèi)熱源的邊界層對流換熱微分方程組是：它們是通過對流場中的任意流體微元分別作質(zhì)量、動量和能量平衡，并針對高雷諾數(shù)按照普朗特的邊界層理論進行簡化以后得出來的。而對流換熱過程微分方程則揭示了流體與壁面之間對流換熱的物理本質(zhì)。4、 邊界層對流換熱問題的主要求解方法有分析解、實驗解、類比方法以及數(shù)值解法。分析解：包括精確解(也叫相似解)和積分方程近似解。雖只能在若干假設(shè)條件下求得一些簡單問題的解，但是作為經(jīng)典方法，它對正確認(rèn)識對流換熱的基本規(guī)律仍起著重要的作用。實驗解：實驗方法始終是解決工程對流換熱問題不可缺少的基本手段。它也是分析解或數(shù)值解唯一可靠的檢驗手段，對求不出理論解的問題，更要靠它來獲得所需要的基本規(guī)律和數(shù)據(jù)。實驗解方法應(yīng)當(dāng)在相似理論的指導(dǎo)下進行才能得到正確有效的結(jié)果。類比方法：建立在流體動量與熱量傳遞規(guī)律的相似性上，無論層流還是湍流，只要流動阻力來自流體的分子粘性和湍流“粘性”，均可以運用類比關(guān)系通過摩擦系數(shù)直接得到對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。對于外部流動和內(nèi)部流動，最主要的兩個類比率關(guān)系式是泣二% _SfPr%二冬2；適用條件：D'=1； ；適用條件：Pr數(shù)值解：通過對邊界層微分方程組進行離散化處理求得各節(jié)點上流體的速度、溫度和壓力參數(shù)的數(shù)值求解方法。由于動量方程中存在非線性的對流項及壓力梯度項，使對流換熱的數(shù)值處理比導(dǎo)熱復(fù)雜很多。5、 相似理論與相似準(zhǔn)則數(shù)相似原理是指導(dǎo)用實驗方法研究包括對流換熱在內(nèi)的很多工程技術(shù)問題的方法理論。它的主要內(nèi)容可以概括為相似三定理，它們分別回答了實驗研究中遇到的四個主要問題：彼此相似的現(xiàn)象，其對應(yīng)點的同名相似準(zhǔn)則數(shù)相等。實驗中模型應(yīng)該如何選取，應(yīng)該測量哪些量？模型應(yīng)保證與實物物理現(xiàn)象相似，應(yīng)測量相似準(zhǔn)則數(shù)中所包含的各個物理量，其中的物性由定性溫度確定。描述物理過程的微分方程積分結(jié)果可以用相似準(zhǔn)則數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系來表示。實驗結(jié)果應(yīng)該怎么表示?應(yīng)該用準(zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式來表示。⑶凡同類現(xiàn)象，若同名巳定準(zhǔn)則數(shù)相等.且單值性條件相似，那么這兩個現(xiàn)象必定相似。實驗結(jié)果可以應(yīng)用到哪些范圍？實驗結(jié)果可用于所有與實驗狀態(tài)保持相似的同類對流換熱問題中。下表匯總列出了本教材以及傳熱文獻中最經(jīng)常遇到的所有相似準(zhǔn)則數(shù)，它們的定義和物理解釋，供讀者在學(xué)習(xí)和工作中參考。

相似準(zhǔn)則數(shù)的定義與物理解釋（按準(zhǔn)則數(shù)名稱的字母排序）忡X琳 1所理■目阿豪心i心崎種莎童IT㈤的浮并力與業(yè)祈福程力■*比危頃 1軸陣汽拜眄*路赭畢與樸年對潔押隔捋卬允比精芥■如亶力與電血秩力：ttt把菱炯聶面新灰力（時專外宙思動）網(wǎng)沁 !暗盅椅蠢*流伴動能與邊布雀除慧的相時大?1、f庵于甘成林，&拍衣#%。*-」）1為W逸海動械必＞停里葉裁&玷0惑導(dǎo)扈幼夫/蝸酎悶、反皺他中的導(dǎo)熟亂率片曲然返率3距沔摩拽原ftA?管內(nèi)誠都葉的正景蠟盛力限。5足用）姬到gGa童步句力史句點站世方平方七此岫觀利t&k林浮升力有握廿*金比楞正堵拉覷蠱成二笑%廠回于蛤或此界具浦M時t"成的計鼻美戲丸心黑戴GiRePr^/I}St滬為土朗時"MJft敝由停熟房數(shù)"L*岌土此浪稍吏《■蜥也撻辱潛蒸立比枕t林獻他AIM事荷上尚克Jt加過版溫屁坪灰KJLE凡RePr壬ujrn找林內(nèi)時淡熱選局井搏妁臧*比vW；￡件的幼■■妙短青黑■甘寇能方之比臨利ft跚Grfj心Z藻卑岫搐8力與蠅核力麥比_h時代批博晝電的齊一杜JtirfiN晟吏市民.代金嬴件金林槌熟加說宙成與寸能伴曜的眼大姝陣吉虛土出6、掠過平板的強迫對流換熱應(yīng)注意區(qū)分層流和湍流兩種流態(tài)（一般忽略過渡流段），恒壁溫與恒熱流兩種典型的邊界條件，以及局部Nu數(shù)和平均Nu數(shù)。具有末加熱起始段的換熱對某些工程問題有重要的應(yīng)用價值。凝結(jié)與沸騰部分一、基本概念主要包括主要包括：凝結(jié)換熱的基本特點、影響因素及其強化；沸騰換熱的基本特點等。1、當(dāng)蒸汽在豎壁上發(fā)生膜狀凝結(jié)時,分析豎壁高度h對放熱系數(shù)的影響。答：當(dāng)蒸汽在豎壁上發(fā)生膜狀凝結(jié)時，隨著豎壁高度的不同可能發(fā)生層流凝結(jié)放熱和紊流凝結(jié)放熱。

^=0.943以也一站)1/4^=0.943以也一站)可見，當(dāng)/增加時，放熱系數(shù)h減小,h81/W可見，當(dāng)/增加時，放熱系數(shù)h減小,h81/W4.從理論上分析,層流凝結(jié)放熱總以導(dǎo)熱方式為主.當(dāng)/=0時，膜層厚度為0,這時的放熱達到最大值，隨著/的增加，膜層厚度6也加厚，也即增加了導(dǎo)熱熱阻，所以放熱系數(shù)隨/增加而減小。L 電 .I..rj _■ 、(B)對紊流而言：平均換熱系數(shù)I' J,而Re與/也成正比，可見隨著(B)對紊流而言：平均換熱系數(shù)增加，放熱加強,從理論上分析，在紊流中紊流傳遞方式成為重要因素，因此，隨/增加紊流換熱得到加強。2、為什么蒸氣中含有不凝結(jié)氣體會影響凝結(jié)換熱的強度?答：不凝結(jié)氣體的存在，一方面使凝結(jié)表面附近蒸氣的分壓力降低，從而蒸氣飽和溫度降低，使傳熱驅(qū)動力即溫差(t-t)減小；另一方面凝結(jié)蒸氣穿過不凝結(jié)氣體層到達壁面依靠的