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1 传热学 复习题 2015 传热学 复习题 2015 一 传热学概论一 传热学概论 填空题填空题 1 热量传递的三种基本方式为热传导热传导 热对流 热对流 热辐射 热辐射 2 热流量是指单位时间内所传递的热量单位时间内所传递的热量 单位是W W 热流密度是指单位传单位传 热面上的热流量热面上的热流量 单位是W mW m 2 2 3 传热过程是指热量从高温的流体经过固体壁传递给另一侧低温流体的过程热量从高温的流体经过固体壁传递给另一侧低温流体的过程 它 的强烈程度用传热系数传热系数来衡量 4 传热系数是指传热温差为 1K 时 单位传热面积在单位时间内的传热量传热温差为 1K 时 单位传热面积在单位时间内的传热量 单位是 单位是W W m m 2 2 K K 5 导热系数的单位是W m K W m K 对流传热系数的单位是W mW m 2 2 K K 传热系数 的单位是W mW m 2 2 K K 6 复合传热是指对流传热与辐射传热之和对流传热与辐射传热之和 复合传热系数等于对流传热系数与对流传热系数与 辐射传热系数之和辐射传热系数之和之和 单位是W mW m 2 2 K K 7 单位面积热阻 rt的单位是m m 2 2 K W K W 总面积热阻 Rt的单位是K WK W 8 单位面积导热热阻的表达式为 单位面积对流传热热阻的表达式为 1 h1 h 9 稳态传热过程是指物体中各点温度不随时间而改变的热量传递过程物体中各点温度不随时间而改变的热量传递过程 10 非稳态传热过程是指物体中各点温度随时间而改变的热量传递过程物体中各点温度随时间而改变的热量传递过程 11 由炉膛火焰向水冷壁传热的主要方式是热辐射热辐射 12 由烟气向空气预热器传热的主要方式是热对流热对流 13 已知一传热过程的热阻为 0 035K W 温压为 70 则其热流量为2kW2kW 14 总传热方程式可表示为 KA tKA t或 q K tK t 15 已知平壁厚 0 02m 热阻为 0 02m 2 K W 其导热系数为 1 W m K 1 W m K 选择题选择题 1 下列哪几种传热过程不需要有物体的宏观运动 1 导热 1 导热 2 对流 3 辐射 3 辐射 4 复合传热 2 下列哪一种表达式是错误的 1 q t 2 q h t 3 q k t 4 q r 4 q rt t t t 3 导热系数的单位是 1 W m 2 K 2 W m 2 3 W m K 3 W m K 4 m 2 K W 4 在传热过程中 系统传热量与下列哪一个参数成反比 1 传热面积 2 流体温差 3 传热系数 4 传热热阻 4 传热热阻 5 在稳态传热过程中 传热温差一定 要增大系统传热量 则不能采用下述哪种手段 1 增大系统热阻 1 增大系统热阻 2 增大传热面积 3 增大传热系数 4 增大对流传热系数 6 试判断下述几种传热过程中哪一种的传热系数最小 1 从气体到气体传热 1 从气体到气体传热 2 从气体到水传热 3 从油到水传热 4 从凝结水蒸气到水传热 7 若已知对流传热系数为 78W m 2 K 则其单位面积对流传热热阻为多少 1 78W m K 2 1 78m K W 3 1 78m 3 1 78m 2 2 K W K W 4 78W m 2 K 8 单位时间通过单位面积的热量称为什么 一般用什么符号表示 1 热流密度 q 1 热流密度 q 2 热流密度 3 热流量 q 4 热流量 9 太阳与地球间的热量传递属于下述哪种传热方式 1 导热 2 热对流 3 热辐射 3 热辐射 4 以上几种都不是 2 10 热流量与温差成正比 与热阻成反比 此规律称为什么 1 导热基本定律 2 热路欧姆定律 2 热路欧姆定律 3 牛顿冷却公式 4 传热方程式 11 某一传热过程的热流密度 q 500W m 2 冷 热流体间的温差为 10 其传热系数和 单位面积的总传热热阻各为多少 1 K 50W m 2 K r t 0 05m 2 K W 2 K 0 02W m 2 K r t 50m 2 K W 3 K 50W mK 50W m 2 2 K r K rt t 0 02m 0 02m 2 2 K W K W 4 K 50W m 2 K r t 0 05K W 12 平板的单位面积导热热阻的计算式应为哪一个 1 1 2 KA 3 1 h 4 1 KA 简答题简答题 1 在空调房间内 夏季与冬季室内温度都保持在 25 左右 夏季人们可以穿短袖衬衣 而冬季则要穿毛线衣 试用传热学知识解释这一现象 提示 从分析不同季节时墙体的传热过程和壁温 以及人体与墙表面的热交换过程来解释这一现象 主 要是人体与墙面的辐射传热的不同 提示 从分析不同季节时墙体的传热过程和壁温 以及人体与墙表面的热交换过程来解释这一现象 主 要是人体与墙面的辐射传热的不同 2 图 a b c 为三种太阳能热水器的元件 图 a 为充满水的金属管 图 b 为在图 a 的管 外加一玻璃罩 玻璃罩和金属管间有空气 图 c 为在图 a 的管外加一玻璃罩 且罩与金 属管间抽真空 分别用框图用框图表示三元件的传热过程 并对比论述其 效率的高低 有人在金属管外壁涂上一层材料以提高效率 问这 种涂层应具有何种特性 提示 提示 1 1图 a b c 传热过程 用框图 考虑导热 对流换热和热辐射 图 a b c 传热过程 用框图 考虑导热 对流换热和热辐射 吸热过程 白天 辐射热从外到内 散热过程 白天和夜晚 热水温度高于周围环境温度 热从内到外 热辐射在真空传递效率最高 太阳能集热器是用来吸收太阳辐射能的 因而其表面应能最大限度地吸收投射来的太阳辐射能 同 时又保证得到的热量尽少地散失 即表面尽可能少的向外辐射能 但太阳辐射是高温辐射 辐射能量主 要集中于短波光谱 如可见光 集热器本身是低温辐射 辐射能量主要集中于长波光谱范围 如红外线 所以集热器表面应选择具备对短波吸收率很高 而对长波发射 吸收 率极低这样性质的材料 吸热过程 白天 辐射热从外到内 散热过程 白天和夜晚 热水温度高于周围环境温度 热从内到外 热辐射在真空传递效率最高 太阳能集热器是用来吸收太阳辐射能的 因而其表面应能最大限度地吸收投射来的太阳辐射能 同 时又保证得到的热量尽少地散失 即表面尽可能少的向外辐射能 但太阳辐射是高温辐射 辐射能量主 要集中于短波光谱 如可见光 集热器本身是低温辐射 辐射能量主要集中于长波光谱范围 如红外线 所以集热器表面应选择具备对短波吸收率很高 而对长波发射 吸收 率极低这样性质的材料 二 稳态热传导与非稳态热传导二 稳态热传导与非稳态热传导 名词解释名词解释 1 温度场 某一瞬间物体内各点温度分布的总称 它是空间坐标和时间坐标的函数 某一瞬间物体内各点温度分布的总称 它是空间坐标和时间坐标的函数 2 等温面 线 由物体内温度相同的点所连成的面 或线 由物体内温度相同的点所连成的面 或线 3 温度梯度 在等温面法线方向上最大温度变化率 在等温面法线方向上最大温度变化率 4 热导率 导热系数 物性参数 热流密度矢量与温度降的比值 表示物质导热能力 的大小 物性参数 热流密度矢量与温度降的比值 表示物质导热能力 的大小 5 导温系数 热扩散率 材料传播温度变化能力大小的指标 a 反映了导热过程中材材料传播温度变化能力大小的指标 a 反映了导热过程中材 料的导热能力与沿途物质储热能力之间的关系 表征物体被加热或冷却时 物体内各部 分温度趋于均匀一致的能力 反映导热过程动态特性 研究不稳态导热的重要物理量 料的导热能力与沿途物质储热能力之间的关系 表征物体被加热或冷却时 物体内各部 分温度趋于均匀一致的能力 反映导热过程动态特性 研究不稳态导热的重要物理量 6 稳态导热 物体中各点温度不随时间而变化的导热过程 物体中各点温度不随时间而变化的导热过程 7 非稳态导热 物体中各点温度随时间而变化的导热过程 物体中各点温度随时间而变化的导热过程 8 傅里叶定律 在各向同性均质的导热物体中 通过某导热面积的热流密度正比于该导在各向同性均质的导热物体中 通过某导热面积的热流密度正比于该导 3 热面法向温度变化率 热面法向温度变化率 9 保温 隔热 材料 0 12 W m K 平均温度不高于 350 时 的材料 0 12 W m K 平均温度不高于 350 时 的材料 10 肋效率 肋片实际散热量与假设整个肋表面处于肋基温度下的散热量 肋片最大可 能散热量 之比 肋片实际散热量与假设整个肋表面处于肋基温度下的散热量 肋片最大可 能散热量 之比 11 接触热阻 材料表面由于存在一定的粗糙度使相接触的表面之间存在间隙 给导热 过程带来额外热阻 材料表面由于存在一定的粗糙度使相接触的表面之间存在间隙 给导热 过程带来额外热阻 12 定解条件 单值性条件 使微分方程获得适合某一特定问题解的附加条件 包括几 何条件 物理条件 初始条件和边界条件 使微分方程获得适合某一特定问题解的附加条件 包括几 何条件 物理条件 初始条件和边界条件 填空题填空题 1 导热基本定律是傅立叶傅立叶定律 可表述为 2 非稳态导热时 物体内的温度温度场和热流量随时间时间而变化 3 导温系数的表达式为 a c a c 单位是 m m 2 2 s s 其物理意义为 材料传 材料传 播温度变化能力的指标 播温度变化能力的指标 4 按照导热机理 水的气 液 固三种状态中 气 气 态下的导热系数最小 5 一般 材料的导热系数与 种类 种类 和 温度 温度 有关 6 保温材料是指 0 12 W m K 平均温度不高于 350 时 0 12 W m K 平均温度不高于 350 时 的材料 7 已知材料的导热系数与温度的关系为 0 1 bt 当材料两侧壁温分别为 t1 t2 时 其平均导热系数可取 t t1 1 t t2 2 2 2下的导热系数 8 发电机水冷 氢冷 空冷三种方式中 以水冷水冷方式的效果最好 空冷空冷方式 的效果最差 9 第三类边界条件是指已知物体边界与周围流体间的表面传热系数 h 及周围流体的物体边界与周围流体间的表面传热系数 h 及周围流体的 温度 t温度 tf f 10 导热微分方程导热微分方程及其单值性条件可以完整地描述一个具体的导热问题 11 第一类边界条件是给定物体边界上任何时刻的温度分布给定物体边界上任何时刻的温度分布 12 初始条件是指如以某时刻作为时间的起算点 在该时刻导热物体内的温度分布如以某时刻作为时间的起算点 在该时刻导热物体内的温度分布 13 通过长圆筒壁导热时 圆筒壁内的温度呈对数曲线对数曲线分布规律 14 温度梯度表示温度场内的某一地点等温面法线方向的温度变化率温度变化率 15 第二类边界条件是指给定物体边界上任何时刻的热流密度 q给定物体边界上任何时刻的热流密度 qw w分布分布 16 三维非稳态导热微分方程的一般形式为 tttt c xxyyzz 试根据物体导热时可能出现的一些具体情况 写 出其对应的简化形式 1 导热系数为常数 2 导热系数为常数 无内热源 3 常物性 稳态 4 常物性 无内热源 稳态 5 两壁面温度恒定的大平板一维稳态导热问题 无内热源 为常数 边界条件 x 0 t tw1 x t tw2 cz t y t x t c t 2 2 2 2 2 2 cz t y t x t a t 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 z t y t x t a t 0 2 2 2 2 2 2 z t y t x t 0 2 2 2 2 2 2 z t y t x t 0 2 2 x t 4 6 两壁面温度恒定的大平板一维稳态导热问题 无内热源 不为常数 边界条件 x 0 t tw1 x t tw2 7 厚度 2 的无限大平壁 0 时温度为 t0 突然使两侧介质温度降低为t t 并保持不变 初始条件 边界条件 17 垂直六面体的三维非稳态导热 其无量纲过余温度的解等于其构成的三个大平板在 同样边界条件下一维非稳态导热解的乘积 18 导热问题数值解法的主要内容 离散化求解区域 建立节点温度代数方程组 离散化求解区域 建立节点温度代数方程组 求解代数方程组 求解代数方程组 19 进行导热问题工程数值计算时 节点数的多少原则上应以下述条件为度 再进一步 增加节点数目时对数值计算主要结果的影响已经在可允许的范围之内 这时称数值计算 的结果基本上已与网格无关 称为网格独立解网格独立解 只有与网格无关的数值解与网格无关的数值解才能 作为数值计算的结果 选择题选择题 1 当采用加肋片的方法增强传热时 最有效的办法是将肋片加在哪一侧 1 h 较大的一侧 2 h 较小的一侧 2 h 较小的一侧 3 流体温度较高的一侧 4 流体温度较低的一侧 2 下列各参数中 属于物性参数的是 1 肋化系数 2 导热系数 2 导热系数 3 导温系数 3 导温系数 4 传热系数 3 导温系数的物理意义是什么 1 表明材料导热能力的强弱 2 反映了材料的储热能力 3 反映材料传播温度变化的能力反映材料传播温度变化的能力 4 表明导热系数大的材料一定是导温系数大的材料 4 常温下 下列物质中哪一种材料的导热系数较大 1 纯铜 1 纯铜 2 碳钢 3 不锈钢 4 黄铜 5 温度梯度表示温度场内的某一点等温面上什么方向的温度变化率 1 切线方向 2 法线方向 2 法线方向 3 任意方向 4 温度降低方向 6 接触热阻的存在使相接触的两个导热壁面之间产生什么影响 1 出现温差 1 出现温差 2 出现临界热流 3 促进传热 4 没有影响 7 下述哪一点不是热力设备与冷冻设备加保温材料的目的 1 防止热量 或冷量 损失 2 提高热负荷 2 提高热负荷 3 防止烫伤 或冻伤 4 保持流体温度 8 某热力管道采用两种导热系数不同的保温材料进行保温 为了达到较好的保温效果 应将哪种材料放在内层 1 导热系数较大的材料 2 导热系数较小的材料 2 导热系数较小的材料 3 任选一种均可 4 无法确定 9 金属含有较多的杂质 则其导热系数将如何变化 1 变大 2 变小 2 变小 3 不变 4 可能变大 也可能变小 10 下列材料中 导热材料较差的材料是什么 1 铝合金 2 铸铁 3 不锈钢 4 普通玻璃 4 普通玻璃 11 物体之间发生热传导的动力是什么 1 温度场 2 温差 2 温差 3 等温面 4 微观粒子运动 12 下面哪种物质材料具有较大的导热系数 1 水 2 空气 3 水蒸气 4 冰块 4 冰块 13 通过大平壁导热时 大平壁内的温度分布规律是下述哪一种 0 dx dt dx d 2 2 x t a t 0 0 tt 0 0 xtx tthxtx 0000 zyxzyx 5 1 直线 1 直线 2 双曲线 3 抛物线 4 对数曲线 14 若已知某种气体的密度为 0 617kg m 3 比热为 1 122 kJ kg K 导热系数为 0 0484W m K 则其导温系数是多少 1 14 3m 2 s 2 69 9 10 2 69 9 10 6 6m m2 2 s s 3 0 0699m 2 s 4 1 43 10 4m2 s 15 已知某一导热平壁的两侧壁面温差是 30 材料的导热系数是 22W m K 通过的 热流密度是 300W m 2 则该平壁的壁厚是多少 1 220m 2 22m 3 2 2m 3 2 2m 4 0 22m 16 第二类边界条件是什么 1 已知物体边界上的温度分布 2 已知物体表面与周围介质之间的传热情况 3 已知物体边界上的热流密度 已知物体边界上的热流密度 4 已知物体边界上流体的温度与流速 17 冬天用手分别触摸置于同一环境中的木块和铁块 感到铁块很凉 这是什么原因 1 因为铁块的温度比木块低 2 因为铁块摸上去比木块硬 3 因为铁块的导热系数比木块大 4 因为铁块的导温系数比木块大 4 因为铁块的导温系数比木块大 18 一般情况下 对于材料的导热系数 下述哪种说法是错误的 1 合金小于纯金属 2 气体小于固体 3 液体小于固体 4 导电体小于非导电体 4 导电体小于非导电体 19 下列那种情况内燃机气缸温度场不会随时间发生变化 1 内燃机启动过程 2 内燃机停机 3 内燃机变工况运行 4 内燃机定速运行 4 内燃机定速运行 20 在稳态导热中 已知三层平壁的内外表面温度差为 120 三层热阻之比 R 1 R 2 R 3 1 2 3 则各层的温度降为 1 60 40 20 2 70 40 10 3 20 40 60 3 20 40 60 4 10 40 70 21 材料的导热能力与吸热能力之比称为 1 放热系数 2 传热系数 3 导热系数 4 导温系数 4 导温系数 22 导热体中不同温度的等温面将 1 互相相交 2 互不相交 2 互不相交 3 互相相切 4 不定 23 材料的导温系数是材料和的比值 1 吸热能力 导热能力 2 导热能力 吸热能力 2 导热能力 吸热能力 3 比热容 导热系数 4 导热系数 比热容 24 固体壁面上敷设肋片后 其实际散热量与假设整个肋表面处于肋基温度下的散热量 的比值为 1 肋壁效率 2 肋化系数 3 肋片效率 3 肋片效率 4 无明确的专用名称 25 忽略物体内部导热热阻的分析方法称为 1 正规状况法 2 数学分析法 3 数值解法 4 集总参数法 4 集总参数法 26 下列哪个是非稳态导热的表达式 T f x y z 2 t f y 2 t f y 3 t f x y 4 t f z x 27 下列那个表示非稳态导热过程的无因次时间 1 Bi 2 Fo 2 Fo 3 e 4 r 28 平壁的非稳态导热进入正规状况阶段 将以下两式绘制成线算图 诺模图 为工程 计算提供了方便 FoBif m 0 x Bif mm0 0 下列说法不正确的是 A 线算图适用于 Bi 0 的情况B 对加热和冷却的情况都适用 C 线算图只适用于 Fo 0 2 的情况D 线算图中平壁是按厚度为 考虑的D 线算图中平壁是按厚度为 考虑的 29 影响肋片效率的因素 肋片材料的热导率 肋片材料的热导率 肋片表面与周围介质之间的表面传热系数 h 肋片表面与周围介质之间的表面传热系数 h 肋片的几何形状和尺寸 P A H 肋片的几何形状和尺寸 P A H 材料热导率 材料热导率 愈大 肋片效率愈高 肋片愈高 H 效率愈低 肋愈大 肋片效率愈高 肋片愈高 H 效率愈低 肋 片不宜太高 肋片愈厚 肋片效率愈高 表面传热系数 h 愈大 即对流换热愈强 效率愈低片不宜太高 肋片愈厚 肋片效率愈高 表面传热系数 h 愈大 即对流换热愈强 效率愈低 一般总 一般总 是在表面传热系数较低的一侧加装肋片是在表面传热系数较低的一侧加装肋片 30 零维问题 忽略物体内部导热热阻 认为物体温度均匀一致的分析方法 此时 Bi忽略物体内部导热热阻 认为物体温度均匀一致的分析方法 此时 Bi 0 温度分布只与时间有关 即 t f 与空间位置无关 因此 也称为零维问题 0 温度分布只与时间有关 即 t f 与空间位置无关 因此 也称为零维问题 6 31 时间常数 弛豫时间 反映了系统处于一定的环境中所表现出来的传 热动态特征 与其几何形状 密度及比热有关 还与环境的换热情况相关 同一物体在不同的环境下时间常数也是不相同 用热电偶测量流体温度 总是希望热电 偶的时间常数越小越好 时间常数越小 热电偶越能迅速地反映流体的温度变化 故热 电偶端部的接点总是做得很小 反映了系统处于一定的环境中所表现出来的传 热动态特征 与其几何形状 密度及比热有关 还与环境的换热情况相关 同一物体在不同的环境下时间常数也是不相同 用热电偶测量流体温度 总是希望热电 偶的时间常数越小越好 时间常数越小 热电偶越能迅速地反映流体的温度变化 故热 电偶端部的接点总是做得很小 简答题简答题 1 试解释材料的导热系数与导温系数之间有什么区别和联系 提示 从两者的概念 物理意义 表达式方面加以阐述 如从表达式看 导温系数与导热系数成正比 关系 a c 但导温系数不但与材料的导热系数有关 还与材料的热容量 或储热能力 也有关 从 物理意义看 导热系数表征材料导热能力的强弱 导温系数表征材料传播温度变化的能力的大小 两者 都是物性参数 提示 从两者的概念 物理意义 表达式方面加以阐述 如从表达式看 导温系数与导热系数成正比 关系 a c 但导温系数不但与材料的导热系数有关 还与材料的热容量 或储热能力 也有关 从 物理意义看 导热系数表征材料导热能力的强弱 导温系数表征材料传播温度变化的能力的大小 两者 都是物性参数 2 试用所学的传热学知识说明用温度计套管测量流体温度时如何提高测温精度 提示 温度计套管可以看作是一根吸热的管状肋 等截面直肋 利用等截面直肋计算肋端温度 th 的 结果 可得采用温度计套管后造成的测量误差 t 为 t t 提示 温度计套管可以看作是一根吸热的管状肋 等截面直肋 利用等截面直肋计算肋端温度 th 的 结果 可得采用温度计套管后造成的测量误差 t 为 t tf f t th h 0 mHch ttf 其中 其中 H h H A hP mH 欲使测 量误差 t 下降 可以采用以下几种措施 1 降低壁面与流体的温差 t 欲使测 量误差 t 下降 可以采用以下几种措施 1 降低壁面与流体的温差 tf f t t0 0 也就是想办法使肋基温度 t 也就是想办法使肋基温度 t0 0接近 t接近 tf f 可以通过对流体通道的外表面 采取保温措施来实现 2 增大 mH 值 使分母 ch mH 增大 具体可以用以下手段实现 增加 H 延长温度计套管的长度 减小 采用导热系数小的材料做温度计套管 如采用不锈钢管 不要用铜管 因为不锈钢的导热系 数比铜和碳钢小 降低 减小温度计套管的壁厚 采用薄壁管 提高 h 增强温度计套管与流体之 间的热交换 可以通过对流体通道的外表面 采取保温措施来实现 2 增大 mH 值 使分母 ch mH 增大 具体可以用以下手段实现 增加 H 延长温度计套管的长度 减小 采用导热系数小的材料做温度计套管 如采用不锈钢管 不要用铜管 因为不锈钢的导热系 数比铜和碳钢小 降低 减小温度计套管的壁厚 采用薄壁管 提高 h 增强温度计套管与流体之 间的热交换 参考教材 P38 例题 2 9参考教材 P38 例题 2 9 3 试写出直角坐标系中 一维非稳态无内热源常导热系数导热问题的导热微分方程表达 式 并请说明导热问题常见的三类边界条件 提示 直角坐标系下一维非稳态无内热源导热问题的导热微分方程式 提示 直角坐标系下一维非稳态无内热源导热问题的导热微分方程式 x t a t 2 2 第一类边界条件 0 t第一类边界条件 0 tw w f x 第二类边界条件 0 f x 第二类边界条件 0 xf n t w 第三类边界条件 0 第三类边界条件 0 fw w s tth n t 4 在一根蒸汽管道上需要加装一根测温套管 有三种材料可选 铜 铝 不锈钢 问选 用哪种材料所引起的测温误差最小 为什么 为减小测量误差 在套管尺寸的选择上还 应注意哪些问题 提示 与题 2 类似 套管材料应选用不锈钢 因给出的三种材料中 不锈钢的导热系数最小 提示 与题 2 类似 套管材料应选用不锈钢 因给出的三种材料中 不锈钢的导热系数最小 5 什么是接触热阻 减少固体壁面之间的接触热阻有哪些方法 提示 材料表面由于存在一定的粗糙度使相接触的表面之间存在间隙 给导热过程带来额外热阻称为 接触热阻 接触热阻的存在使相邻的两个表面产生温降 温度不连续 接触热阻主要与表面粗糙度 表 面所受压力 材料硬度 温度及周围介质的物性等有关 因此可以从这些方面考虑减少接触热阻的方法 此外 也可在固体接触面之间衬以导热系数大的铜箔或铝箔等以减少接触热阻 提示 材料表面由于存在一定的粗糙度使相接触的表面之间存在间隙 给导热过程带来额外热阻称为 接触热阻 接触热阻的存在使相邻的两个表面产生温降 温度不连续 接触热阻主要与表面粗糙度 表 面所受压力 材料硬度 温度及周围介质的物性等有关 因此可以从这些方面考虑减少接触热阻的方法 此外 也可在固体接触面之间衬以导热系数大的铜箔或铝箔等以减少接触热阻 6 如图有一方形断面长条形物体 长度方向尺寸相对很长 其材料各向同性 导热系数 为常量 已知各边界的温度如图所示 用数值解法求解其内部网格节点 1 2 3 和 4 的 温度 请写出高斯一赛德尔迭代求解温度值的第 1 2 次迭代计算过程 提示 分析 这是一个二维稳态导热问题 物体内部每个网格节点的温度适用于 二维 稳态 常物性 无内热源的内部节点差分方程式 其系数等于周边 4 个邻 点的系数之和 这里 每个内节点都有两个邻点是边界节点 其温度值是已知的 计算 假设初值 提示 分析 这是一个二维稳态导热问题 物体内部每个网格节点的温度适用于 二维 稳态 常物性 无内热源的内部节点差分方程式 其系数等于周边 4 个邻 点的系数之和 这里 每个内节点都有两个邻点是边界节点 其温度值是已知的 计算 假设初值CttCtt 200 300 0 4 0 3 0 2 0 1 Cttt 275200300100500 4 1 100500 4 1 0 3 0 2 1 1 c hA cV 7 依此类推 可得其他各次迭代值 当第 n 与第 n 1 次迭代的相对偏差已小于预先给定的收敛判据时 迭 代终止 依此类推 可得其他各次迭代值 当第 n 与第 n 1 次迭代的相对偏差已小于预先给定的收敛判据时 迭 代终止 7 有两块同样材料的平壁 A 和 B 已知 A 的厚度为 2 B 的厚度为 4 两平壁从同一 高温炉中取出置于冷流体中淬火 流体与平壁表面的表面传热系数 h 近似认为是无限大 已知 A 平壁中心点的过余温度下降到初始过余温度的 1 2 需要 15min 问平壁 B 达到同样 的温度需要多少时间 提示 表面传热系数 h 近似认为是无限大 则 Bi h 故非零维问题 不能用集总参数法 提示 表面传热系数 h 近似认为是无限大 则 Bi h 故非零维问题 不能用集总参数法 Bi 相当于第一类边界条件中给定壁温条件 故有 BiBi 相当于第一类边界条件中给定壁温条件 故有 BiA A Bi BiB B 属于一维非稳态导热问题 属于一维非稳态导热问题 m m 0 0 1 2 有 1 2 有 m m 0 0相同 Bi 相同 故 Fo 也相同 有 相同 Bi 相同 故 Fo 也相同 有 8 一块厚 2 的平板 初始温度为 t0 突然将它置于温度为 t 的流体中进行冷却 请分别描述下图中三种情形的平板和流体的温度场随时间的变化曲线 图中哪一种状况属于集总参数系统 工程上可采用集总参数法计算的条件是什么 提示 提示 三种情形的金属板和流体的温度场随时间的变化曲线 三种情形的金属板和流体的温度场随时间的变化曲线 图中 Bi 0 的情况属于集总参数系统 即忽略物体内部导热热阻 认为物体温度均匀一致的分析方法 工程上可采用集总参数法计算的条件是 导热系数相当大 几何尺寸很小 表面换热系数很小 Bi 0 1M 为判定系统是否为集总参数系统 M 为形状修正系数 图中 Bi 0 的情况属于集总参数系统 即忽略物体内部导热热阻 认为物体温度均匀一致的分析方法 工程上可采用集总参数法计算的条件是 导热系数相当大 几何尺寸很小 表面换热系数很小 Bi 0 1M 为判定系统是否为集总参数系统 M 为形状修正系数 9 写出无量纲数傅立叶数 FO与毕渥数 Bi的定义式 并说明它们的物理意义 无量纲热阻 无量纲时间 无量纲热阻 无量纲时间 Bi 越小 表示内部热阻小或外部热阻大 则内部温度就越均匀 集总参数法的误差就越小 Fo 越大 热扰动就能越深入传播到物体内部 物体各点的温度就越接近周围介质的温度 Bi 越小 表示内部热阻小或外部热阻大 则内部温度就越均匀 集总参数法的误差就越小 Fo 越大 热扰动就能越深入传播到物体内部 物体各点的温度就越接近周围介质的温度 三 对流传热三 对流传热 名词解释名词解释 Cttt 75 268200275100500 4 1 100500 4 1 0 4 1 1 1 2 Cttt 75 168200275100100 4 1 100100 4 1 0 4 1 1 1 3 Cttt 38 15975 16875 268100100 4 1 100100 4 1 1 3 1 2 1 4 2 Aa FoA 2 2 Ba FoB 22 0 2 4 2 BA A B aa F a FoB 分钟601544 AB FoBif 0m t0 t t0 1 h 2 t 1 h 2 t 1 h 2 t0 t t0 1 h 2 t t0 1 h 2 t 1 h 2 t 1 h 2 t 1 h 2 t0 t 1 h 2 t0 Bi 0Bi为有限大小为有限大小Bi 集总参数系统集总参数系统 大平板被流体大平板被流体冷却时冷却时的内部温度分布的内部温度分布等温系统或物体等温系统或物体 h lhl 1 Bi 物体表面对流换热热阻 物体内部导热热阻 物体表面对流换热热阻 物体内部导热热阻 h lhl 1 Bi 物体表面对流换热热阻 物体内部导热热阻 物体表面对流换热热阻 物体内部导热热阻 22 F l o l a 换热时间 边界热扰动扩散到 面积上所需的时间 8 1 速度边界层 在流场中壁面附近流速发生急剧变化的薄层 在流场中壁面附近流速发生急剧变化的薄层 2 温度边界层 在流体温度场中壁面附近温度发生急剧变化的薄层 在流体温度场中壁面附近温度发生急剧变化的薄层 3 定性温度 确定换热过程中流体物性的温度 确定换热过程中流体物性的温度 4 特征尺度 对于对流传热起决定作用的几何尺寸 对于对流传热起决定作用的几何尺寸 5 相似准则 如 Nu Re Pr Gr Ra 由几个变量组成的无量纲的组合量 由几个变量组成的无量纲的组合量 6 强迫对流传热 由于机械 泵或风机等 的作用或其它压差而引起的相对运动 由于机械 泵或风机等 的作用或其它压差而引起的相对运动 7 自然对流传热 流体各部分之间由于密度差而引起的相对运动 流体各部分之间由于密度差而引起的相对运动 8 大空间自然对流传热 传热面上边界层的形成和发展不受周围物体的干扰时的自然对 流传热 传热面上边界层的形成和发展不受周围物体的干扰时的自然对 流传热 9 珠状凝结 当凝结液不能润湿壁面时 凝结液在壁面上形成许多液滴 而不形成连续 的液膜 当凝结液不能润湿壁面时 凝结液在壁面上形成许多液滴 而不形成连续 的液膜 10 膜状凝结 当液体能润湿壁面时 凝结液和壁面的润湿角 液体与壁面交界处的切面当液体能润湿壁面时 凝结液和壁面的润湿角 液体与壁面交界处的切面 经液体到壁面的交角 90 凝结液在壁面上形成一层完整的液膜 经液体到壁面的交角 90 凝结液在壁面上形成一层完整的液膜 11 核态沸腾 在加热面上产生汽泡 换热温差小 且产生汽泡的速度小于汽泡脱离加 热表面的速度 汽泡的剧烈扰动使表面传热系数和热流密度都急剧增加 在加热面上产生汽泡 换热温差小 且产生汽泡的速度小于汽泡脱离加 热表面的速度 汽泡的剧烈扰动使表面传热系数和热流密度都急剧增加 12 膜态沸腾 在加热表面上形成稳定的汽膜层 相变过程不是发生在壁面上 而是汽 液界面上 但由于蒸汽的导热系数远小于液体的导热系数 因此表面传热系数大大下降 在加热表面上形成稳定的汽膜层 相变过程不是发生在壁面上 而是汽 液界面上 但由于蒸汽的导热系数远小于液体的导热系数 因此表面传热系数大大下降 填空题填空题 1 影响自然对流传热系数的主要因素有 流动起因 流动速度 流体有无相流动起因 流动速度 流体有无相 变 壁面的几何形状 大小和位置 流体的热物理性质变 壁面的几何形状 大小和位置 流体的热物理性质 2 速度边界层是指在流场中壁面附近流速发生急剧变化的薄层在流场中壁面附近流速发生急剧变化的薄层 3 温度边界层是指在流体温度场中壁面附近温度发生急剧变化的薄层在流体温度场中壁面附近温度发生急剧变化的薄层 4 流体刚刚流入恒壁温的管道作层流传热时 其局部对流传热系数沿管长逐渐减小减小 这是由于边界层厚度沿管长逐渐增厚边界层厚度沿管长逐渐增厚 5 温度边界层越厚厚对流传热系数越小 强化传热应使温度边界层越簿簿 6 流体流过弯曲的管道或螺旋管时 对流传热系数会增大增大 这是由于离心力的离心力的 作用产生了二次环流增强了扰动作用产生了二次环流增强了扰动 7 流体横掠管束时 一般叉排叉排 布置的平均对流传热系数要比顺排顺排布置时高 8 管外流动传热 有纵向冲刷和横向冲刷之分 在其他条件相同时 以横向横向 向冲刷方向传热更为强烈 9 纯净饱和蒸气膜状凝结的主要热阻是液膜的导热热阻液膜的导热热阻 10 大容器饱和沸腾曲线可分为自然对流自然对流 核态沸腾核态沸腾 过渡沸腾过渡沸腾 膜态膜态 沸腾沸腾四个区域 其中核态沸腾核态沸腾具有温差小 热流大的传热特点 11 沸腾的临界热通量是指当壁面过热度大到某一程度时 汽泡来不及脱离加热面而当壁面过热度大到某一程度时 汽泡来不及脱离加热面而 开始连成不稳定的汽膜 即由核态沸腾开始向膜态沸腾过渡 出现临界点的热流密度开始连成不稳定的汽膜 即由核态沸腾开始向膜态沸腾过渡 出现临界点的热流密度 12 格拉晓夫准则的物理意义流体流动时浮升力与粘滞力之比的无量纲量流体流动时浮升力与粘滞力之比的无量纲量 表达式 Gr 2 3 cv tlg 13 减小管内湍流对流传热热阻的方法有增加流速增加流速 采用短管 采用短管 改变流体物 改变流体物 性性 增加换热面积 增加换热面积 扰流 扰流 采用导热系数大的流体用小管径等 采用导热系数大的流体用小管径等 14 反映对流传热强度的准则称为努塞尔努塞尔 准则 15 普朗特准则 Pr 的数学表达式为 a a 它表征了 动量传递与热量传递的相对大小动量传递与热量传递的相对大小 16 在蒸汽的凝结过程中 珠状珠状凝结的传热系数大于膜状膜状凝结 17 自然对流传热是指流体在浮升力作用下的对流传热流体在浮升力作用下的对流传热 9 18 管槽内对流传热的入口效应是指流体入口段由于热边界层较薄而具有较高的对流流体入口段由于热边界层较薄而具有较高的对流 传热系数传热系数 选择题选择题 1 下列各参数中 属于物性参数的是 传热系数 K 2 吸收率 3 普朗特数 Pr 3 普朗特数 Pr 4 传热系数 hc 2 流体纯自然对流传热的准则方程可写成 1 Nu f Re Pr 2 Nu f Gr Pr 2 Nu f Gr Pr 3 Nu f Re Gr Pr 4 Nu f Bi Fo 3 流体外掠过平板对流传热时 在下列边界层各区中 温度降主要发生在 1 主流区 2 湍流边界层 3 层流底层 3 层流底层 4 缓冲区 5 湍流核心区 4 空气自然对流传热系数与强迫对流时的对流传热系数相比 1 要小的多 1 要小的多 2 要大得多 3 十分接近 4 不可比较 5 沸腾的临界热流量 qc是 1 从过冷沸腾过渡到饱和沸腾的转折点 2 从自由流动过渡到核态沸腾的转折点 3 从核态沸腾过渡到膜态沸腾的转折点从核态沸腾过渡到膜态沸腾的转折点 4 从不稳定膜态沸腾过渡到稳定膜态沸腾的转折点 6 工程中 较为常用的沸腾工况是指 1 膜态沸腾 2 核态沸腾 2 核态沸腾 3 自然对流沸腾 4 以上都不是 7 下述哪种手段对提高对流传热系数无效 1 提高流速 2 增大管径 2 增大管径 3 采用入口效应 4 采用导热系数大的流体 8 已知某气体的密度为 1 26kg m 3 比热为 1 02kJ kg K 导热系数为 0 025W m K 粘度为 15 1 10 6m2 s 其 Pr 普朗特 准则数为多少 1 0 78 1 0 78 2 0 02 3 0 7 4 0 62 9 Nu 努赛尔 准则反映 1 惯性力和粘滞力的相对大小 2 对流传热强度 2 对流传热强度 3 浮升力和粘滞力的相对大小 4 导热能力大小 10 描述浮升力与黏滞力的相对大小的准则数称为 1 Re 2 Gr 2 Gr 3 Pr 4 Ra 11 当管长远大于管径时 圆管横向布置时的管外膜状凝结传热系数与竖放时相比如何 1 横放时大横放时大 2 两者差不多 3 竖放时大 4 无法比较 12 无量纲组合 2 3 tlg v 称为什么准则 1 雷诺 Re 2 普朗特 Pr 3 努赛尔 Nu 4 格拉晓夫 Gr 4 格拉晓夫 Gr 13 判断管内湍流强制对流是否需要进行人口效应修正的依据是什么 1 l d 70 2 Re 10 4 3 l d 50 3 l d 50 4 l d时 可以不考虑入口效应的影响 1 20 2 30 3 40 4 504 50 29 下列说法不正确的是 29 下列说法不正确的是 1 重辐射表面是辐射传热系统中 表面的净辐射传热量为零的表面 或称绝热表面 从温度上看 可 以将其视为黑体 从能量上看 可以将其视为黑体或白体 重辐射面的存在改变了辐射能的方向分布 2 减少表面发射率 或在两辐射表面之间安插遮热板 辐射屏 可以削弱两物体表面间的辐射换热 3 不凝结气体对凝结传热产生不利影响 而对沸腾传热则起到强化的作用 4 膜状凝结传热比珠状凝结传热的热阻小很多 所以工程上大多采用膜状凝结传热 4 膜状凝结传热比珠状凝结传热的热阻小很多 所以工程上大多采用膜状凝结传热 简答题简答题 1 试用所学的传热学知识说明用热电偶测量高温气体温度时 产生测量误差的原因有哪 15 些 可以采取什么措施来减小测量误差 提示 用热电偶测温时同时存在气流对热电偶换热和热电偶向四壁的散热两种情况 热电偶的读数小 于气流的实际温度产生误差 所以 引起误差的因素 烟气与热电偶间的复合换热小 热电偶与炉 膛内壁问的辐射换热大 减小误差的措施 减小烟气与热电偶间的换热热阻 如抽气等 增加热电 偶与炉膛间的辐射热阻 如加遮热板 设计出计算误差的程序或装置 进行误差补偿 提示 用热电偶测温时同时存在气流对热电偶换热和热电偶向四壁的散热两种情况 热电偶的读数小 于气流的实际温度产生误差 所以 引起误差的因素 烟气与热电偶间的复合换热小 热电偶与炉 膛内壁问的辐射换热大 减小误差的措施 减小烟气与热电偶间的换热热阻 如抽气等 增加热电 偶与炉膛间的辐射热阻 如加遮热板 设计出计算误差的程序或装置 进行误差补偿 2 试用传热原理说明冬天可以用玻璃温室种植热带植物的原理 提示 可以从可见光 红外线的特性和玻璃的透射比来加以阐述 玻璃在日光 短波辐射 下是一种透 明体 透过率在 90 以上 使绝大部分阳光可以透过玻璃将温室内物体和空气升温 室内物体所发出 的辐射是一种长波辐射 红外线 对于长波辐射 玻璃的透过串接近于零 几乎是不透明 透热 的 因此 室内物体升温后所发出的热辐射被玻璃挡在室内不能穿过 玻璃的这种辐射特性 使室内温度不 断升高 提示 可以从可见光 红外线的特性和玻璃的透射比来加以阐述 玻璃在日光 短波辐射 下是一种透 明体 透过率在 90 以上 使绝大部分阳光可以透过玻璃将温室内物体和空气升温 室内物体所发出 的辐射是一种长波辐射 红外线 对于长波辐射 玻璃的透过串接近于零 几乎是不透明 透热 的 因此 室内物体升温后所发出的热辐射被玻璃挡在室内不能穿过 玻璃的这种辐射特性 使室内温度不 断升高 3 试分析遮热板的原理及其在削弱辐射传热中的作用 提示 可从遮热板能增加系统热阻角度加以说明 1 在辐射换热表面之间插入金属 或固体 薄板 称为遮热板 2 其原理是 遮热板的存在增大了系统中的辐射换热热阻 使辐射过程的总热阻增大 提示 可从遮热板能增加系统热阻角度加以说明 1 在辐射换热表面之间插入金属 或固体 薄板 称为遮热板 2 其原理是 遮热板的存在增大了系统中的辐射换热热阻 使辐射过程的总热阻增大 系统黑度减少 使辐射换热量减少 3 遮热板对于削弱辐射换热具有显著作用 如在两个平行辐射表 面之间插入一块同黑度的遮热板 可使辐射换热量减少为原来的 1 2 若采用黑度较小的遮热板 则 效果更为显著 系统黑度减少 使辐射换热量减少 3 遮热板对于削弱辐射换热具有显著作用 如在两个平行辐射表 面之间插入一块同黑度的遮热板 可使辐射换热量减少为原来的 1 2 若采用黑度较小的遮热板 则 效果更为显著 4 什么叫黑体 灰体和白体 它们分别与黑色物体 灰色物体 白色物体有什么区别 在辐射传热中 引入黑体与灰体有什么意义 提示 可以从黑体 白体 灰体的定义和有关辐射定律来阐述 根据黑体 白体 灰体的定义可以看 出 这些概念都是以热辐射为前提的 灰色 黑色 白色是针对可见光而言的 所谓黑体 白体 灰体 并不是指可见光下物体的颜色 灰体概念的提出使基尔霍夫定律无条件成立 与波长 温度无关 使吸 收率的确定及辐射换热计算大为简化 因此具有重要的作用 黑体概念的提出使热辐射的吸收和发射具 有了理想的参照物 提示 可以从黑体 白体 灰体的定义和有关辐射定律来阐述 根据黑体 白体 灰体的定义可以看 出 这些概念都是以热辐射为前提的 灰色 黑色 白色是针对可见光而言的 所谓黑体 白体 灰体 并不是指可见光下物体的颜色 灰体概念的提出使基尔霍夫定律无条件成立 与波长 温度无关 使吸 收率的确定及辐射换热计算大为简化 因此具有重要的作用 黑体概念的提出使热辐射的吸收和发射具 有了理想的参照物 5 玻璃可以透过可见光 为什么在工业热辐射范围内可以作为灰体处理 提示 可以从灰体的特性和工业热辐射的特点来论述 所谓灰体是针对热辐射而言的 灰体是指吸收 率与波长无关的物体 在红外区段 将大多数实际物体作为灰体处理所引起的误差并不大 一般工业热 辐射的温度范围大多处于 2000K 以下 因此其主要热辐射的波长位于红外区域 许多材料的单色吸收率 在可见光范围内和红外范围内有较大的差别 如玻璃在可见光范围内几乎是透明的 但在工业热辐射范 围内则几乎是不透明的 并且其光谱吸收比与波长的关系不大 可以作为灰体处理 提示 可以从灰体的特性和工业热辐射的特点来论述 所谓灰体是针对热辐射而言的 灰体是指吸收 率与波长无关的物体 在红外区段 将大多数实际物体作为灰体处理所引起的误差并不大 一般工业热 辐射的温度范围大多处于 2000K 以下 因此其主要热辐射的波长位于红外区域 许多材料的单色吸收率 在可见光范围内和红外范围内有较大的差别 如玻璃在可见光范围内几乎是透明的 但在工业热辐射范 围内则几乎是不透明的 并且其光谱吸收比与波长的关系不大 可以作为灰体处理 6 什么是 温室效应 为什么说大气中的 C02含量增加会导致温室效应 提示 可以从气体辐射的特点和能量平衡来加以说明 CO 提示 可以从气体辐射的特点和能量平衡来加以说明 CO2 2气体具有相当强的辐射和吸收能力 属于 温室气体 根据气体辐射具有选择性的特点 CO 气体具有相当强的辐射和吸收能力 属于 温室气体 根据气体辐射具有选择性的特点 CO2 2气体的吸收光带有三段 2 65 2 8 4 15 4 45 13 0 17 0 m 主要分布于红外区域 太阳辐射是短波辐射 波长范围在 0 38 一 0 76 m 因此 对于太 阳辐射 C0 气体的吸收光带有三段 2 65 2 8