武汉大学传热学历年考题汇编含完整答案.pdf

传热学传热学 1 1 为测量储气罐里的气体温度为测量储气罐里的气体温度，在储气罐壁上装设一支有充油套管保护的温度计在储气罐壁上装设一支有充油套管保护的温度计（如右图所示如右图所示） 。） 。简要简要 分析温度计套管对测量误差的影响分析温度计套管对测量误差的影响，并说明减少测量误差的途径或方法并说明减少测量误差的途径或方法。 如右图所示，测温套管可以看成是一个从容器壁面伸展出来的肋片。其测量端部温度可表示为： 2 2 试建立第三类边界条件下试建立第三类边界条件下、二维稳态导热问题平直边界节点的差分方程二维稳态导热问题平直边界节点的差分方程，并画出相应网格并画出相应网格 节点图节点图。设物体为常物性设物体为常物性，有内热源为有内热源为 （常数常数） 。） 。 将第三类边界条件 代入即可。 3 3 试说明用有限差分法进行导热数值计算的基本思想和方法试说明用有限差分法进行导热数值计算的基本思想和方法。 4 4 写出单相流体对流换热各无量纲准则数的定义式写出单相流体对流换热各无量纲准则数的定义式，说明其物理意义说明其物理意义。 qw y q 00 0 0 00 1 () () () 1 2() (2)(2)2 (1)(1) Hf H f f Hf Hff f tt ttch mH tt tt ch mH ttttch mH ttt ch mH H hPhhh m A mH 得到： 要减少（），必须减少（），增加； ）要减少（），必须提高加强根部保温； ）要增加， 增加增加套管长度； 增加 需增加 加强套管与流体的对流换热，提高h； 采用 小的材料作套管； 采 用薄套管（只要工艺允许）减小 。 1, ,1,1, , 22 0 2 mnm n w m nm nm nm n m n tt yyq x tttt xx yy x y 2 ,1,1,1, 2 42 m nmnwm nm nm n xx ttqtt , () wfm n qh tt 5 5请说明相似原理的主要内容请说明相似原理的主要内容，它们分别解决了什么问题它们分别解决了什么问题？ 凡同类现象，若单值性条件相似，同名已定准则相等，则必相似。 相似原理的主要内容回答了关于试验的三大问题： （1） 实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测） ：测量准则数中的有关量； （2） 实验数据如何整理（整理成什么样函数关系） ：按照准则数间的幂函数关系整理； （3） 解决了实物试验很困难或太昂贵的情况下，如何进行试验的问题，也即解决了所得实验关联式推广 应 用 的 条 件 ： 实 验 结 果 可 推 广 到 与 实 验 条 件 相 似 的 所 有 同 类 物 7 7何为烧毁点何为烧毁点？试结合大容器饱和沸腾曲线说明其实际应用意义试结合大容器饱和沸腾曲线说明其实际应用意义。 大容器饱和沸腾曲线表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括 4 个换热规律不同的阶段：自然对流、核 态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示： 实践上，热流密度的峰值 qmax有重大意义，它被称为临界热流密度(CHF，英语 Critical Heat Flux 之 缩写)。对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备，如电加热器、锅炉水冷壁、对冷却水加热的核反应 堆，一旦热流密度超过蜂值，工况将沿 qmax虚线跳至稳定膜态沸腾线，t 将猛升至近 1000，可能导致设 备的烧毁，所以必须严格监视并控制热流密度，确保在安全工作范围之内。也由于超过它可能导致设备烧 毁，所以 qmax亦称烧毁点。对于蒸发冷凝器等壁温可控的设备，这种监视也是重要的。因为一旦 q 超过转折 点之值，就可能导致膜态沸腾，在相同的壁温下使换热量大大减少，从而换热效率下降。 8 8请说明热辐射的基本定律请说明热辐射的基本定律，它们分别解决了什么问题它们分别解决了什么问题？ 热辐射的基本定律主要指黑体辐射的基本定律。 黑体辐射能量按波长分布服从普朗克定律；按空间方向的分布则服从兰贝特定律； Planck定律： 描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的能量沿波长分布的规律， 即只对方向积分， 但研究的是某一波长； Stefan-Boltzmann 定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的全部波长的能量，即对方向和 波长都积分的结果； Lambert 定律：描述物体在某一温度下所辐射的全部波长的能量沿半球空间方向上的分布规律，即只对波 长积分，但研究的是某一方向。对黑体而言，辐射强度是常数 进一步的，包括基尔霍夫定律，它表明了实际灰体（甚至实际物体）的吸收特性：对投射辐射的波长 无选择性。 9 9在圆筒壁外敷设保温层后在圆筒壁外敷设保温层后，有时会增加其散热损失有时会增加其散热损失，这是为什么这是为什么？ 在圆筒壁外敷设保温层后，有时会增加其散热损失，这是因为： 可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降低了对流换热热阻，使得换热赠强，那么， 综合效果到底是增强还是削弱呢？这要看 d/dd o2 和 d 2/dd o2 2 的值。 do2在 do1 dcr之间， 是增加的，当 do2大于 dcr时， 降低。 当保温层的直径小于 dcr (Bi2)时， 加保温层才会削弱散热。 1010某电站凝汽器工作一段时间后某电站凝汽器工作一段时间后，出现了汽轮机机组背压上升出现了汽轮机机组背压上升（凝汽器真空度下降凝汽器真空度下降）的问题的问题，试从传热试从传热 学角度解释其产生的可能原因学角度解释其产生的可能原因。 qma qmin 21 2 2 1 1 1 )ln( 2 1 )ln( 2 11 )( ooo o i o ii fofi dhd d d d dh ttl 1111. .什么叫换热器的顺流布置和逆流布置什么叫换热器的顺流布置和逆流布置? ?这两种布置方式有何特点这两种布置方式有何特点？设计时如何选用设计时如何选用？ 从顺、逆流布置的特点上加以论述。冷、热流体平行流动且方向相同称为顺流，换热器顺流布置具有平 均温差较小、所需换热面积大、具有较低的壁温、冷流体出口温度低于热流体出口温度的特点。冷、热流 体平行流动但方向相反称为逆流，换热器逆流布置具有平均温差大、所需换热面积小、具有较高壁温、冷 流体出口温度可以高于热流体的出口温度的特点。设计中，一般较多选用逆流布置，使换热器更为经济、 有效，但同时也要考虑冷、热流体流道布置上的可行性，如果希望得到较高的壁面温度，则可选用逆流布 置，反之，如果不希望换热器壁面温度太高，则可以选择顺流布置，或者顺、逆流混合布置方式。 火电厂 中，低温段追求传热效果用逆流布置，高温段主要从安全考虑用顺流布置。 12. 试说明试说明 Bi 数的物理意义数的物理意义。及及各代表什么样的换热条件各代表什么样的换热条件?有人认为有人认为, 代表代表 了绝热工况了绝热工况,你是否赞同这一观点你是否赞同这一观点,为什么为什么? 答答； 0Bi 时，物体表面的换热热阻远大于物体内部导热热阻。说明换热热阻主要在边界，物体内部 导热热阻几乎可以忽略，因而任一时刻物体内部的温度分布趋于均匀，并随时间的推移整体地下降。可以 用集总参数法进行分析求解。 Bi 时，物体表面的换热热阻远小于物体内部导热热阻。在这种情况下，非稳态导热过程刚开始进行 的一瞬间，物体的表面温度就等于周围介质的温度。但是，因为物体内部导热热阻较大，所以物体内部各 处的温度相差较大，随着时间的推移，物体内部各点的温度逐渐下降。在这种情况下，物体的冷却或加热 过程的强度只决定于物体的性质和几何尺寸。 认为 0Bi 代表绝热工况是不正确的， 0Bi 的工况是指边界热阻相对于内部热阻较大，而绝热工 况下边界热阻无限大。 镀黑内管是选择黑色涂层对太阳辐射具有较高的吸收比镀黑内管是选择黑色涂层对太阳辐射具有较高的吸收比，其表面光滑使发射比较低其表面光滑使发射比较低。透明外观对波长透明外观对波长0.3 微米的微米的热辐射有较高的穿透比热辐射有较高的穿透比，是大部分太阳辐射能穿过玻璃进入是大部分太阳辐射能穿过玻璃进入有吸热面的内腔有吸热面的内腔；而对波长而对波长0.3 微米微米 oBi BiBi 的的热辐射穿透比甚小热辐射穿透比甚小，故吸热面发出的常温下的长故吸热面发出的常温下的长波辐射被玻璃阻隔在腔内波辐射被玻璃阻隔在腔内，产生温室效应产生温室效应。同时外管与同时外管与 内管间层抽成真空可以减小内壁与外界的导热系数内管间层抽成真空可以减小内壁与外界的导热系数；抛物面反射板抛物面反射板与热水管保持间隙与热水管保持间隙，可以将太阳辐射反可以将太阳辐射反 射到管的背射到管的背光测光测，有利于工质均匀受热有利于工质均匀受热。真空管倾斜布置可以更有效地捕获太阳辐射真空管倾斜布置可以更有效地捕获太阳辐射。 9-35 设有如附图所示的几何体设有如附图所示的几何体，半球表面是绝热的半球表面是绝热的，底面被一直径底面被一直径（D0.2）分为分为 1、2 两部分两部分。表面表面 1 为灰体为灰体，；表面表面 2 为黑体为黑体， T2=330。试计算表面试计算表面 1 的净辐射损失及表面的净辐射损失及表面 3 的温度的温度。 解：网络图如下： 】 1，2 表面间的辐射换热量是由于绝热表面 3 的存在而引起的。 m 11 550K0.35T， K 2 1 2,33,1 21 2,3 2 3,13,2 1,32,3 22 1 2 3 42 1 42 2 10.5 2 0.5/20.25 1 111 3.14 0.20.0157 248 20.0628 550 5.67 ()5188.4W /m 100 730 5.67 ()6 272W /m 100 b b R XXX R XX XX AD AR E E 3 315 15 一种火焰报警器采用低熔点的金属丝作为传热元件一种火焰报警器采用低熔点的金属丝作为传热元件，当该导线受火焰或高温烟气的作用而熔断时报当该导线受火焰或高温烟气的作用而熔断时报 警系统即被触发警系统即被触发，一报警系统的熔点为一报警系统的熔点为 500500 0 0C C， ， ， 初始温度为初始温度为 2525 0 0C C。 。 问当它突然受到问当它突然受到 650650 0 0C C 烟气加热后 烟气加热后， 为在为在 1min1min 内发生报警讯号内发生报警讯号， 导线的直径应限在多少以下导线的直径应限在多少以下？设复合换热器的表面换热系数为设复合换热器的表面换热系数为。 解：采用集总参数法得： ，要使元件报警则 ，代入数据得 D0.669mm 验证 Bi 数： ，故可采用集总参数法。 9 9- -3838、已知已知： （： （1 1）两个同心圆筒壁的温度分别为两个同心圆筒壁的温度分别为- -196196及及 3030，直径分别为直径分别为 10cm10cm 及及 15cm15cm，表面发射表面发射 率均为率均为 0.80.8。 （。 （2 2）在其间同心地置入一遮热罩在其间同心地置入一遮热罩，直径为直径为 12.5cm12.5cm，两表面的发射率均为两表面的发射率均为 0.050.05。 求求： （： （1 1）单位长度圆筒体上的辐射换热量单位长度圆筒体上的辐射换热量。 （。 （2 2）画出此时辐射换热的网络图画出此时辐射换热的网络图，并计算套筒壁间的辐射并计算套筒壁间的辐射 换热量换热量。 解： （1）单位长度上的换热量为： （1） 把遮热罩表面称为 3，其面向表面 1 的一侧记为 3L，面向表面 2 的一侧记为 3R，则相当的辐射网 络图如下图所示。 有遮热罩后，单位长度上的换热量为：， ， 2 1 11 2 33,133,2 12 2 133 3 4 3 33 11 0.35 118.3m 0.35 0.0157 11 63.7m 1 5188.4672.4 18.38W 118.363.7 2 5188.4 1843.24W / m 118.363.7 ()424.6K 100 bb bbb b b A A XA X EE R EEE E R T ET 表面 的净辐射损失： 由 又。 )/(210KmW 3 /7200mkg )/(420KkgJc )/(12 2 KmW )exp( 0 cv hA C 0 500 )exp( 65025 650500 cv hA 05. 0100095. 0 4 )/( 3 hDAVh Bi 112 1122 44 1/1/1 3.1416 0.1 5.67 0.773.03105.54W / m 1/0.8 10/15 1/0.8 1 bb l dEE AA 。 12 312 111 1,33322,322 11111 2 b