传热学杨世铭第四版思考题答案

第一章考虑考题1 .用简单的语言说明热传导、对流热交换、辐射热交换三种热传导方式之间的联系和差异。答：热传导和对流的区别在于物体内部由微粒热运动产生的热传导现象称为热传导，对流是流体各部分间产生的宏观相对位移和冷热流体的混合。 联系在发生对流换热的同时，必然伴随热传导。热传导、对流这两种传热方式只能在物质存在的条件下实现，但辐射能在真空中传播，在辐射热交换时不仅有能量量的转移也伴随着能量形式的转换。2 .热流密度表示的傅立叶定律、牛顿的冷却定律以及斯特藩-波尔兹曼定律是应该记住的传热定律。 写下这三个公式，分别解释它们的符号及其含义。a:傅立叶定律：其中，-热流密度； -热传导率-沿x方向的温度变化率，“-”表示热传导的方向是温度下降的方向。牛顿冷却式：其中，-热流密度； -表面传热系数-固体表面温度-流体的温度。斯泰藩-玻尔兹曼定律：其中，-热流密度； -斯泰藩-玻尔兹曼常数-辐射物体的热力学温度。3 .导热系数、表面导热系数以及导热系数的单位分别是什么？与物性参数和工艺有关的是什么？a热传导率的单位为w/(m.k )；表面热传导系数的单位为W/(m2.K )；热传导系数的单位为w/(m2.k )。 在这3个参数中，只有热传导率是物性参数，其他都与工艺有关。4 .热量从壁面侧的流体通过壁面传递到相反侧的流体时，冷热流体间的热交换量可以通过任一过程计算(过程是稳定的)，本章导入传热方程式，称为“热交换器热工计算的基本式”。 试析引进传热方程的工程实用意义。答：在众多工业换热设备中，进行换热的冷热流体也始终位于固体壁面两侧，是工程技术中经常遇到的典型传热过程。用铝制水壶烧水时，尽管火炉的火很大，水壶还是平安无事。 壶里的水一干，水壶很快就烧掉了。 让我们从传热学的角度来分析这种现象。答：壶内有水时，壶底可以很好地冷却(水是壶底的对流热交换系数大)，壶底的热量迅速传递，没有温度不变高的水时，与壶底进行对流热交换的是气体，气体进行对流热交换的表面热交换系数小，壶底的热量很快就会变热6 .一只手拿着装有热水的杯子，另一只手用筷子快速搅拌热水，握着杯子的手感觉热。 我试析那个的原因。答：不搅拌时，杯内水的流速几乎为零，杯内的水与杯壁之间为自然对流热交换，自热对流热交换的表面传热系数小，快速搅拌时，杯内的水与杯壁之间为强制对流热交换，表面传热系数大，热水会向杯壁的外侧传递很多热量7 .串联热阻叠加原则是在什么前提下成立的？ 以固体中的热传导为例，研究一下什么情况可能导致热传导方向不同截面的热流量不相等。a :在串联传热过程中，如果通过各链节的热流量相同，则各串联链节的总热阻等于各串联链节的热阻之和。 例如，由3片无限大的平板重叠而构成的平壁。 例如，根据圆筒壁，各传热链路的传热面积可能不相等，传热方向的截面不同，热流量可能不相等。8 .有两个形状相同的保温杯a和b，注入相同温度、相同体积的热水后，a杯的外表面可以感觉到热量，b杯的外表面不会感觉到温度的变化，哪个保温杯的质量好呢答： b :杯子的保温质量很好。 保温的杯子的热量从杯子内部放出的热量少，从外部散热后，温度变化小，几乎感觉不到。对于1-4图纸所示的两个层次的夹层，试着分析冷热表面之间的热交换方式如何不同？为了实验性地测定夹层中的流体的热传导率，应该采用什么样的配置？解： (a )中的换热方式主要是热传导。(b )换热方式主要有热传导和自然对流。因此，为了实验测量夹层中流体的热传导率，采用(a )的配置。对1-5内部发热的球悬挂在室内，附图所示的三种情况进行了实验分析： (1)球表面的散热方式；(2)球表面与空气之间的热交换方式。解： (2)球是表面传热方式的散热。(1)热交换方式： (a )自然对流热交换； (b )自然对流相当于强制对流热交换的过渡流传热(c )强制对流热交换1-6宇宙飞船的外形如图所示，外遮光罩是向飞船外突出的光学窗，其表面的温度状态直接影响宇宙飞船的光学遥感器。 船体表面各部分的表面温度与发动机罩的表面温度不同。 宇宙飞船在宇宙飞行时，与罩子表面进行热交换的对象是什么？热交换的方式是什么解：遮光罩和外部的辐射热交换和遮光罩的外观和船体的外观辐射。 传热方式为(辐射)1-7热电偶经常测量气流温度。 如图所示，用热电偶测定配管中高温气流的温度Tf壁管温度。 试析热电偶节点的换热方式。解：管道内流体对节点的对流换热，偶线对节点的热传导和管道内壁对节点的热辐射。1-8热水器的胆剖面图如图所示。 瓶胆的双层玻璃之间为真空，内胆外壁和外胆内壁涂有反射率低的银。 试析热水器具有保温作用的原因。 误破瓶胆吸口的密闭性会影响保温效果吗？解：保温作用的原因：在内胆外壁外胆内壁涂层反射率低的银，通过内外胆向外放射的热量少，抽真空可以减少内外胆之间的气体介质，减少对流换热作用。 如果密闭性破坏，空气进入两层间隙形成内外胆间的对流传热，保温瓶的保温效果下降。考虑考题1试着写一下热传导傅立叶定律的一般形式，说明各个符号的意思。答：傅里叶定律的一般格式是：其中，通过该点的法线单位向量是空间中某点的温度梯度，指向温度升高的方向，这里是热流密度向量。 第二章2众所周知，热传导物体中某点的x、y、z三个方向的热流密度分别以及如何得到该点的热密度向量？a :这里分别是3个方向的单位矢量。3请看看热传导微分方程的基本定律。答：热传导微分方程的基本定律是傅里叶定律和能量守恒定律。4考试分别用数学语言说明传热学用语传热问题的三种边界条件。a:第一类边界条件：第二类边界条件：第三类边界条件：5试着说明串联热阻叠加原则的内容及其使用条件。a :在串联传热过程中，如果通过各链节的热流量相同，则各串联链节的总热阻等于各串联链节的热阻之和。 使用条件是各传热链节的传热面积必须相等。7 .通过圆筒壁的热传导量只是内外半径之比与半径的绝对值无关，通过球壳的热传导量计算公式与半径的绝对值有关，如何理解？a :通过圆筒壁的热传导阻力只与圆筒壁的内外半径比有关，但通过球壳的热传导阻力与球壳的绝对直径有关，因此绝对半径不同的话，热传导量就不同。6在短圆柱体中发生的热传导问题在以下哪些情况下可以解决一维问题？答：采用圆柱坐标系，半径方向的热传导可以用一维问题来处理。8在一维问题中可以处理扩张表面的热传导问题的条件是什么？有人认为只要表面细长，就可以处理一维问题，您同意这个观点吗？a :满足等截面的直肋，可以用一维问题处理。 相反，当扩张表面的截面不均匀时，不同截面的热流密度不均匀，因此不能认为是一维问题。9肋高度的增加引起肋效率的降低和散热表面积的增加这两个效果。 因此认为，随着翅片的高度变高，临界高度出现，超过该高度时，翅片的热传导率反而降低。 试析这一观点的正确性。a :错了。 因为当肋的高度达到一定值时，通过该值的截面的热流密度为零。 通过散热片的热流已经达到最大值，不会随高度的增加而变化。在由10式(2-57 )给出的分析解中，热传导物体的热传导率不会出现，请提供理论依据。a :式(2-57 )中记载的问题是稳态热传导，物体的热传导率在x方向和y方向的数值相等，是常数。有人对11二维矩形物体中稳态无内热源常物性的热传导问题进行了数值计算。 矩形的一条边被隔热，其馀三条边都与温度的流体进行对流热交换。 你能预测他得到的温度场的解吗？答：是的，如果隔热的其馀三边为相同的边界条件，则矩形物体内部的温度分布必须关于隔热边的中心线对称分布。第三章考虑考题1 .试着说明总参数法的物理概念和数学处理的特征答：内外热阻比值为零时，影响换热的主要环节是边界换热能力。 由于内部热阻小，温度变得均匀，无需在意空间中的温度分布，温度只是时间的函数在数学的记述中由偏微分方程式变化为常微分方程式，大幅度降低了解的难度。2 .用热电偶测量气流的瞬态温度场时，如何改善热电偶的温度响应特性？答：要改善热电偶的温度响应特性，必须最大限度地降低热电偶的时间常数、形状降低面比选用热容量小的材料，强化热电偶表面的对流换热。3 .试着说明一下“无限大平板”的物理概念，列举两个无限大平板能够处理的非稳态热传导问题答案“无限大”平板是指其纵横比远大于厚度，可以忽略从边缘交换的热量无论如何，在平板的两侧热交换均匀的情况下，热量只向与板面垂直的方向流动。 薄板两侧均匀地加热或冷却，炉壁和冷冻库的保温层的热传导等可以用无限大的平板处理。4 .瞬态热传导的正态或充分发展阶段是什么？ 这个阶段物理过程和数学处理有什么特点？答：非定常热传导过程进行一定程度后，初期温度分布的影响消失。 虽然各点的温度还很低随时间变化，过剩温度的比例与时间无关，仅是几何位置()和边界条件(Bi数)的函数，即无量纲温度分布不变，该阶段称为正态阶段或充分发展阶段。 这一阶段的数学处理非常方便，温度分布计算可以用无限级数的第一项计算。5 .非定常热传导过程的经过时间长的情况下，也有人认为使用图3-7计算的结果是错误的。 这个图说明了物体中每个点的过热比与几何位置和Bi无关并且与时间无关。 但是，时间无限大时，物体中各点的温度应该接近流体温度，两者矛盾。 你是否同意这个看法，说明你的理由。a :我不同意这种看法。 因为随着时间的推移，物体中各点的过剩温度比率不会变化但是，各点温度的绝对值接近无限。 这与物体中各点的温度接近流体温度的事实不矛盾。试着说明bi数的物理意义吧。 据说各代表是什么样的换热条件代表绝热状况，你赞同这个想法吗？ 为什么？答案Bi数是物体内外热阻之比的相对值。 传热阻力主要在边界，说明内部温度均匀，如果可以用总参数法分析求解，传热阻力主要说明内部，壁温可近似为流体温度。 典型的绝热壳被认为不正确，该壳边界热阻大于内部热阻，绝热壳边界热阻无限大。7 .什么是瞬态热传导问题的积解法，他的使用条件是什么？对于答案二维或三维瞬态热传导问题的解等于一些一维问题解的乘积，其解的形式为无量纲过温，这是瞬态热传导问题的乘积解法，其使用条件为恒温介质、第三类边边界条件或边界温度一定，初始温度一定时。什么是“半无限大”的物体？ 半无限大物体的瞬态热传导是否处于正规阶段？a :“半最大限度大”物体是指平面侧空间无限延伸的物体。 因为物体可以无限延伸深度伸、初颜温度的影响永远不会消失，因此半死限大的物体不稳定的热传导不存在于正规情况阶段。冬天，72的铁和600的木材接触的感觉是一样的吗？ 为什么？10 .本章的讨论是在物性为常数的情况下进行的，在物性温度函数的情况下，你认为如何得到非稳态热传导的温度场a :由解析解形式可知，物体的无量纲过剩温度是傅立叶数()的负指数函数即，在相同尺寸以及热交换条件下，热传导率越大的物体，到达规定温度为止的时间越短说明热传导率所代表的物理意义。第五章复习题1 .用简洁的语言说明热边界层的概念。答：壁面附近的薄层中，流体温度向壁面的法线方向急剧变化，与此相对，除此薄层以外，流体的温度梯度几乎为零，在固体表面附近流体温度急剧变化的薄层称为温度边界层或热边界层。2 .与完全能量方程相比，边界层能量方程最重要的特征是什么？答：与完全能量方程相比，忽略了主流方向温度的下一个变化率，因此仅适用于边界层内，不适用于整个流体。3、式(5-4)与热传导问题的第三类边界条件式(217 )的区别是什么a:(5-4)(2-11 )式(5-4)中的h是未知的量，式(2-17 )中的h被给出为已知的边界条件，式(2-17 )中的h是固态热传导率，式(5-4)用于导出包括h的无量纲数，其中，只有局部表面热传导率，整个热交换表面的表面系数应当在整个表面上应用牛顿冷却公式来导出4、式(5-4)的表面，在边界垂直的壁面的热传导完全依赖于热传导，但是在对流热交换中流体的流动起着怎样的作用呢？a :形成于固体表面的边界层的厚度除了流体的粘性之外，还与主流区的速度有关，由于流动速度越大边界层越薄，热传导的热阻也越小，因此影响热传导的大小5、对流换热问题的完整数字描述应该包括什么内容？既然很多实际的对流传热问题不能求得正确的解，建立对流换热问题的数字描述有什么意义？答：对流换热问题的完整数字描述应包括对流换热微分方程组和定解条件，定解条件包括： (1)初始条件(2)边界条件(速度、压力、温度)建立对流换热问题的数字描述目的是找出对流换热中各物理量间的相互制约关系，各关系不满足动量、能量和质量守恒关系第六章复习题1、两种现象相似是什么，共同点是什么？a :是指以相同形式、具有相同内容