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传热学习题课 一 填空题1 厚度 导热系数 为常数的大平壁的单位面积导热热阻是 2 在地球引力场作用的范围内 单纯的导热只能发生在密实的固体中 因为 当有温差时 液体和气体就会出现 难以维持单纯的导热 对流传热3 等温面之间 相交 不能4 热流通量是指 它的单位是 单位时间内通过单位面积的热量 w m25 导热系数的的物理意义是 物体中温度降度为1 m时 单位时间内通过单位面积的导热量 它表征物质导热能力的大小 6 同一时刻 温度场中 所构成的面叫做等温面 所有温度相同点7 等温面与 平面相交 则在此平面上构成一簇曲线称为等温线 不同 同一8 因为等温面上 故不可能有热量的传递 热量的传递只发生在 等温面之间 不存在温度差异 不同9 温度梯度是一个 方向朝着 的方向 向量 温度增加10 对于任何导热过程 完整的数学描写包括 和 导热微分方程 单值性条件11 稳态导热问题第三类边界条件的数学表达式为 12 如果温度只随其 变化 而不随 而变化 则该温度场称之为稳态温度场 空间 时间 14 无限长圆筒壁的单位管长导热热阻是 15 稳态导热时通过长园筒壁内的不同半径柱面上的热流密度都 不同16 应用加肋片的方法来增强传热时 应把肋片加在 的一侧 表面传热系数小17 无限长方柱加热或冷却时 其导热过程属于 导热问题 其导热微分方程式为 二维非稳态18 Bi数表达式为 其物理意义为 物体内部导热热阻和外部对流热阻的比值19 Fo数表达式为 其物理意义为 物体的非稳态导热过程进行的深度 1 试举一 二例说明什么是热传导现象 什么是对流换热现象 答 热传导现象 手抓一端插入火炉中的铁棍觉得烫 热量通过铁棍传到手上 冬天穿棉衣暖和 棉花导热能力差 使人向外散热少 觉得暖和 对流换热现象 暖气片向室内供热 电风扇使人凉爽 由于空气与暖气片及人体皮肤的对流换热 使热量传递出来 2 各向均为常物性物体 二维稳态导热时 物体中任意一点可否具有两个温度梯度 为什么 答 任意一点只能具有一个温度梯度 因为不同温度的等温面是不能相交的 而任意点的温度梯度是沿该点等温面正法向的 故只有一个 3 为什么大多数纯金属的导热系数随其温度的升高而减小 答 因为这些金属的导热是依靠自由电子的迁移和晶格的振动来实现的 而且主要是依靠前者 当温度升高时 晶格的振动加强了 这就干扰了自由电子的运动 使导热系数减小 4 求解不稳定导热问题的单值性条件有哪些 答 几何条件 物理条件 时间条件 边界条件 5 描述导热现象有傅立叶定律 为什么还要导热微分方程式 答 傅立叶定律确定了热流通量和温度梯度之间的关系 但要确定温度梯度必须知道物体内的温度场 导热微分方程是建立温度场的通用微分方程 6 根据无内热源平壁稳态导热温度分布 如图所示 判断该种材料的导热系数值是随温度升高而增大还是减少 为什么 答 因为稳态导热 即平壁各处热流密度相等 由图可知随着温度的降低 的绝对值逐渐减小 导热系数 随之增大 因此 导热系数值随温度的升高而减小 7 如图所示的双层平壁中 导热系数 1 2为定值 假定过程为稳态 试分析图中三条温度分布曲线所对应的 1和 2的相对大小 答 由于过程是稳态的 因此在三种情况下 热流量分别为常数 即 所以对情形 对情形 对情形 8 试分析室内暖气片的散热过程 各个环节有哪些热量传递方式 以暖气片管内走热水为例 答 有以下换热环节及传热方式 由热水到暖气片管道内壁 热传递方式为强制对流换热 由暖气片管道内壁到外壁 热传递方式为固体导热 由暖气片管道外壁到室内空气 热传递方式有自然对流换热和辐射换热 9 分别写出Nu Re Pr Bi数的表达式 并说明其物理意义 答 1 努塞尔 Nusselt 数 它表示表面上无量纲温度梯度的大小 2 雷诺 Reynolds 数 它表示惯性力和粘性力的相对大小 3 普朗特数 它表示动量扩散厚度和能量扩散厚度的相对大小 4 毕渥数 它表示导热体内部热阻与外部热阻的相对大小 10 何谓非稳态导热的正规阶段 写出其主要特点 答 物体在加热或冷却过程中 物体内各处温度随时间的变化率具有一定的规律 物体初始温度分布的影响逐渐消失 此后不同时刻的温度分布主要受热边界条件的影响 这个阶段称为非稳态导热的正规阶段 11 热扩散系数是表征什么的物理量 它与导热系数的区别是什么 答 热扩散率 与导热系数一样都是物性参数 它是表征物体传递温度的能力大小 亦称为导温系数 热扩散率取决于导热系数和的综合影响 而导热系数是反映物体的导热能力大小的物性参数 一般情况下 稳态导热的温度分布取决于物体的导热系数 但非稳态导热的温度分布不仅取决于物体的导热系数 还取决于物体的导温系数 12 集总参数法的适用条件是什么 满足集总参数法的物体 其内部温度分布有何特点 答 集总参数法的适用条件是Bi 0 1 其特点是当物体内部导热热阻远小于外部对流换热热阻时 物体内部在同一时刻均处于同一温度 物体内部的温度仅是时间的函数 而与位置无关 13 在地球表面某实验室内设计的自然对流换热实验 到太空中是否仍然有效 为什么 答 该实验到太空中无法得到地面上的实验结果 因为自然对流是由流体内部的温度差从而引起密度差并在重力的作用下引起的 在太空中实验装置格处于失重状态 因而无法形成自然对流 所以无法得到顶期的实验结果 14 试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数 粘度对对流换热过程的影响 答 1 大的流体 当层流底层厚度相同时 层流底层的导热热阻小 因而对流换热系数h就大 2 粘性大的流体 则流过壁面时的滞止作用就大 在相同的流速下其边界层的厚度就较厚 因此减弱了对流换热 对流换热系数h较低 15 简述边界层理论的基本论点 答 当流体流过壁面时由于摩擦力的作用 使壁面附近的流体速度减低 直至到零 我们把减速的区域称为流动边界层 流动边界层的特征为 边界层厚度 与壁的尺寸l相比是极小值 边界层内壁面法线方向速度变化率最大 即很大 边界层流动状态分为层流与紊流 而紊流边界层内 紧贴壁面处仍将是层流 称为层流底层 流场可以划分为两个区 边界层区和主流区 边界层区是流体粘性起作用的区域 它的运动可由粘性流体运动微分方程描述 主流区速度梯度为0 可视为无粘性的理想流体 它的运动由伯努利方程描述 16 利用同一冰箱储存相同的物质时 试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜冰箱耗电量大 为什么 答 在其它条件相同时 冰箱的结霜相当于在冰箱的蒸发器和冰箱的冷冻室 或冷藏室 之间增加了一个附加的热阻 因此 冷冻室 或冷藏室 要达到相同的温度 必须要求蒸发器处于更低的温度 所以 结霜的冰箱的耗电量要大 17 为什么珠状凝结表面换热系数比膜状凝结表面换热系数大 答 膜状凝结换热时沿整个壁面形成一层液膜 并且在重力的作用下流动 凝结放出的汽化潜热必须通过液膜 因此 液膜厚度直接影响了热量传递 珠状凝结换热时 凝结液体不能很好的浸润壁面 仅在壁面上形成许多小液珠 此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触 因此 换热速率远大于膜状凝结换热 18 不凝结气体对表面凝结换热强弱有何影响 答 不凝结气体的存在 一方面使凝结表面附近蒸汽的分压力降低 从而蒸汽饱和温度降低 使得传热驱动力即温差减小 另一方面 凝结蒸汽穿过不凝结气体层到达壁面依靠的是扩散 从而增加了阻力 因此 上述两方面原因导致凝结换热时的表面传热系数降低 19 空气横掠垂直管束时 沿流动方向管排数越多 换热越强 而蒸汽在水平管束外凝结时 沿液膜流动方向管排数越多 换热强度降低 为什么 答 空气横掠垂直管束时 沿流动方向管排数越多 气流扰动越强 换热越强 而蒸汽在水平管束外凝结时 沿液膜流动方向管排数越多 凝结液膜越厚 凝结换热热阻越大 换热强度降低 20 在寒冷的北方地区 建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好 为什么 答 采用空心砖较好 因为空心砖内部充满着空气 而空气的导热系数相对较小 热阻较大 空心砖导热性较之实心砖差 同一条件下空心砖的房间的散热量小保温性好 21 什么是物体的发射率和吸收率 二者在什么条件下相等 答 实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比称为该物体的发射率 投射到物体表面的总能量中被吸收的能量所占的份额是物体的吸收率 由基尔霍夫定律可知 当物体表面为漫射灰体表面时 二者相等 22 由导热微分方程可知 非稳态导热只与热扩散率有关 而与导热系数无关 你认为对吗 答 由于描述一个导热问题的完整数学表达 不仅包括控制方程 还包括定解条件 虽然非稳态导热控制方程只与热扩散率