高等传热复习题1.doc

高等传热导热部分复习题1 有一三维各向异性固体，已知在x = 0边界为已知的第三类边界条件，试用导热系数分量和其它相关量表达这个边界的换热条件。第2题图2 一维半无限大物体，初始温度均匀为ti，当时间t 0时，内部有一均匀恒定内热源，强度为P W/m3，同时左边界维持温度tw不变。假定温度函数为二次多项式，试用积分近似法求出t 0后物体内部的温度场。物体的密度、比热和导热系数分别为r, cp, 和l。3 厚度为L的大金属平板，热扩散率a为常数，初始温度为ti，过程开始后通有恒定电流，单位体积的发热量为qv，平板两侧分别和温度为tf1和tf2的流体进行换热，表面传热系数均为h。试用分析法求过程开始后平板的温度分布。4. 图示为固体熔化过程。固体初始温度ti等于相变温度为tp，在t = 0时刻，x = 0的表面温度突然升高到tw并保持不变。试用积分析法求解液体中的温度分布。第4题图第5题图5. 图示双容系统：一个导热系数很大的薄壁容器，其中装满温度能均匀一致(强力搅拌)的液体。系统的初温为ti， t0时被置于温度为tf的环境中，求容器和液体的温度相应。高等传热对流部分复习题对流1、 边界层的基本控制方程，量级分析和简化；二维稳定恒特性流动的连续方程为 在x和y方向的动量方程表达式为边界层能量方程式和粘性耗散函数的表达式定义以下无量纲量：经过整理和精简，得到下列无量纲的动量方程式：经过量纲分析，化简得 。2、微尺度下自然对流的特点，依据力和物理本质来探讨；从上面的比较我们可以看出小尺寸物体自然对流换热具有以下的特点:换热的强化性这种强化性表现在由于边缘效应和前缘效应，以及基板导热的影响，使得小尺寸物体的换热系数明显地大于大平板自然对流换热的估计值.简单性这种简单性表现在竖直细丝或竖直条自然对流换热系数沿高度几乎不变化.还表现在等温条件下，如果小尺寸物体的某一尺寸很小，当这一尺寸改变时，它的自然对流总换热量不变。1) 在方腔自然对流问题中, 随着尺度的减小,相对于惯性力来说, 粘性力的重要性越来越大。当106 R a 108 时, 粘性力与惯性力大致在同一个量级; 当103 R a 106 时, 粘性力比惯性力大1 2个量级; 而当R a 106 时, 沿两等温壁存在明显的速度边界层和温度边界层, 传热规律为N u = 0. 094R a0. 33;当103 R a 106 时, 沿两等温壁无速度边界层和温度边界层, 传热规律为N u= 0. 14R a0. 30; 当R a 103时, 导热是主要的热传递形式。3、流动和换热在电子器件散热、LED热管理等领域的应用及其特点；随着电力电子元器件工作参数和集成度不断提高，其单位发热量急剧增加，如目前二极管的额定值电压为2500伏，电流为1600安，而晶闸管参数已发展到超过2500伏和1000安，其热流密度或所要求的散热量常常达到50W/cm2，有时甚至高达200w/cm2。传统的采用单相流体强制风冷的散热器在散热量、体积、重量等诸多方面已不能满足要求 件的热设计进行优化，有以下几种散热方案：自然对流进行冷却；强迫送风冷却；强迫送风冷却；LED热学设计由于输入电能的80 %90 %转变成为热量,只有大约10 %20 %转化为光能,且L ED 芯片面积小,因此,芯片散热是L ED 封装必须解决的关键问题。好的散热系统,可以在同等输入功率下得到较低的工作温度,延长LED 的使用寿命;或在同样的温度限制范围内,增加输入功率或芯片密度,从而增加LED 灯的亮度。结温是衡量LED 封装散热性能的一个重要技术指标,由于散热不良导致的pn结温度升高,将严重影响到发光波长、光强、光效和使用寿命。LED 封装散热设计的重点在于芯片布置、材料选择(键合材料、基板材料) 与工艺、热沉设计等。对于小功率LED (如普通的5 mm L ED ,其功率仅为0. 065 W) ,发热问题并不严重,即使热阻较高(一般高于100 / W) ,采用普通的封装结构即可。而半导体照明用的高亮度白光L ED ,一般采用大功率L ED 芯片,其输入功率为1 W 或更高,芯片面积约为1 mm 1 mm ,因此热流密度高达100 W/cm2 以上。此外,对于大功率L ED 封装,为提高光通量,一般采用阵列模块方式。由于发光芯片的高密度集成,散热基板上的温度很高,必须采用热导率较高的基板材料和合适的封装工艺,以降低封装热阻。4、结合自己硕士研究课题探讨其中的流动和换热特点。高等传热辐射部分复习题1、视在发射率的概念及其计算视在发射率在讨论空腔的总体性能即具体计算球形空腔的发射率时, 除考虑表面发射率外, 还应考虑前面介绍的空腔效应, 故需作如下假定: (1) 实际从开口辐射的能流量为Q; (2) 假定壁面是理想黑体时从开口辐射出去的能流量为Q 1, 将两者之比定义为视在发射率, 即。当只考虑辐射交换热能时, 控制方程对T 4 而言是线性的。此时壁温T 1, 环境温度T 2 的空腔问题可等效为壁温环境温度为绝对零度的空腔问题。可计算出通过腔壁损失的热流如下: 空腔壁失去的总热Q = q .A 。式中当把空腔壁面视为黑体时, 开口部分引起的辐射热损失2、试说明如何根据杰勃哈特法（Gebhart）计算表面间存在透明介质时的辐射换热。Gebhart引入了交换系数描述封闭空间各面之间的辐射换热, Gebhart 交换系数Gij 为表面i 发出的辐射能通过各种可能的途径, 投射到表面j 并被其吸收的部分. Gij 的表达式中包含了表面的灰度.由于本文将处理太阳辐射在车室内表面的分配, 各表面除相互间的辐射换热外, 还存在附加的热源. 为使表达式表述清晰, 本文对文献 7 中给出的Gij 表达式进行了修正, 将表面灰度的影响纳入表面源强度项中, 交换系数用以表征面与面之间由于多次反射引起的辐射换热特性, 将Gebhart 表达式中的表面吸收率提取出来, 即交换系数中暂不考虑表面吸收. 如图1 所示, 由表面i 发出, 到达表面j 的辐射能可分为: 表面i 对表面j 的直接辐射能; 经其他表面反射一次后达到表面j 的辐射能; 经两次中间辐射到达表面j 的辐射能; 经N - 2 个面反射后到达j 表面的辐射能. 其表达式为 将式(2) 代入式(6) , 并由交换系数互换性, 可得出封闭空间各内表面的热平衡方程为若各表面的热边界条件确定, 联立求解各个表面(如式(8) ) 的热平衡方程组, 即可求出各表面间的辐射换热.3、要使得封闭体内各表面有效辐射均匀，须满足什么条件。要使得封闭体内各表面有效辐射均匀，需满足每个表面都是漫灰体，发射率为常数。4、天空辐射致冷的原理及其应用大气层外宇宙空间的温度接近绝对零度，高层大气的当量黑体温度也低于地面温度。因此，地面与空间有辐射换热。如果地面与周围的环境的换热很小，它吸收的热量远小于它向天空的辐射能量，则其温度逐渐降低，直到达到能量平衡，温度才保持恒定。通过增强物体表面的发射率，降低吸收率，可以有效地利用天空辐射制冷，可应用于建筑物的冷却，食品的保鲜等。5、红外辐射加热技术的匹配原理红外加热的匹配原理有三种常见的说法。第一种为：由于被加热物体的辐射物性有选择性，所以如要有效的增强辐射换热，被加热物体的投射辐射能量应尽量集中在物体吸收率光谱的峰值区。满足这一要求就称为投射辐射光谱与物体吸收率光谱匹配；第二种是：根据物体全波长的总吸收率与物体本身的光谱吸收率有关，还与投射辐射光谱有关，提出用最大吸收率来定义最佳匹配，即当被加热物体的光谱吸收率与投射辐射光谱形成的总吸收率最大时，称为投射辐射光谱与物体吸收率光谱最佳匹配；第三种是：用整个红外加热装置的热效率来定义匹配。当被加热物体的投射辐射光谱与吸收率光谱调整到红外加热装置热效率为最大值时，这两种光谱才称为最佳匹配。6、太阳辐射的特点及太阳能集热器的原理太阳辐射的特点是：太阳辐射能总量很大，但是能量密度比较低；太阳辐射能按波长分布，主要集中在0.33波长范围内。太阳能集热器是将太阳能收集起来转化为热能的设备。