传热学问答题答案

第一章思考问题1.尽量用简洁的语言解释热传导、对流和辐射三种传热方式之间的联系和区别。答：热传导和对流的区别在于，物体内部微观粒子的热运动所产生的传热现象称为热传导。对流是指流体部件之间的宏观相对位移以及热流体和冷流体的混合。连接是热传导必须伴随对流热交换。热传导和对流是两种只能在物质存在时才能实现的传热方式，而辐射可以在真空中传递。辐射换热不仅有能量量的转移伴随着能量形式的转换。2.用热通量表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式和斯特凡-玻尔兹曼定律是应该记住的传热公式。试着写下这三个公式，并解释每个符号及其含义。答：傅立叶定律：其中，-热流密度；导热性；-沿x方向的温度变化率，“-”表示热传递的方向是沿温度降低的方向。(2)牛顿冷却公式：其中，-热流密度；-表面传热系数；固体表面温度；-流体的温度。(3)斯特凡-玻尔兹曼定律：其中-热通量；-斯特凡-玻尔兹曼常数；-辐射物体的热力学温度。3.导热系数、表面传热系数和传热系数的单位是什么？哪些是物理参数，哪些与过程相关？答：导热系数的单位是：w/(m . k)；(2)表面传热系数的单位为：w/(m2 . k)；(3)传热系数单位为：W/(m2。k)。在这三个参数中，只有导热率是一个物理参数，其他的都与过程有关。4.当热量从壁一侧的流体通过壁传递到另一侧的流体时，冷流体和热流体之间的热交换可以通过任何一个环节来计算(过程是稳定的)。然而，本章引入了一个传热方程，称之为“换热器热计算的基本公式”。试分析引入传热方程的工程实际意义。答：因为在许多工业热交换设备中，用于热交换的冷、热流体通常位于固体壁的两侧，这是工程技术中经常遇到的典型传热过程。5.用铝制水壶烧水时，尽管火很大，水壶仍然是安全的。一旦水壶里的水干了，水壶很快就会烧完。试着从热传递的角度来分析这个现象。答：当釜中有水时，釜底可以很好的冷却(水对釜底的对流传热系数大)，釜底的热量可以快速传递，而温度不会升得很高；没有水时，是气体与壶底对流换热。由于对流换热气体的表面换热系数小，釜底热量不能快速传递，釜底升温快，容易烧坏。6.一只手拿着装满热水的杯子，另一只手用筷子快速搅动热水。拿着杯子的手显然会感到热。试着分析原因。答：当没有搅拌时，杯子里的水的流速几乎为零。杯子里的水和杯子壁之间发生自然对流换热。自热对流换热的表面传热系数小。当快速搅拌时，杯子中的水和杯子壁之间发生强制对流热交换。表面传热系数大。更多的热水热量被传递到杯壁的外部，因此热量明显被感受到。7.串联热阻叠加原理是什么，在什么前提下成立？以固体热传导为例，讨论在什么情况下会导致传热方向上不同截面的热流不相等。答：在串联传热过程中，如果流经每个环节的热量相同，则每个串联环节的总热阻等于每个串联环节的热阻之和。例如，由三个无限平板叠加而成的平壁。例如，通过圆柱形壁，热传递甲：乙：这个杯子保温性能好。由于保温性好的杯子产生的热量少于杯子内部的热量，所以从外面散热后，温度变化很小，几乎感觉不到热量。第二章思考问题1.试着写出傅立叶热传导定律的一般形式，并解释每个符号的含义。答：傅立叶定律的一般形式是：其中：是空间某一点的温度梯度；通过等温线上的法向单位矢量，它指向温度上升的方向。是热流向量。假设导热物体中的一个点在x、y、z、y和z方向上的热流密度分别为和，如何获得该点的热流向量？答：三个方向的单位向量分别是。试着解释热传导微分方程所基于的基本定律。答：热传导微分方程的基本定律是傅立叶定律和能量守恒定律。4.尝试用数学语言解释热传导的三种边界条件。答：第一类边界条件：(2)第二种边界条件：(3)第三种边界条件：5.试解释串联热阻叠加原理的内容及其应用条件。答：在串联传热过程中，如果流经每个环节的热量相同，则每个串联环节的总热阻等于每个串联环节的热阻之和。使用条件是每个传热环节的传热面积必须相等。7.通过圆柱形壁的热传导仅与内半径与外半径之比有关，而与半径的绝对值无关，而通过球壳的热传导计算公式与半径的绝对值有关。如何理解？答：因为通过圆柱形壁的导热系数只与圆柱形壁的内径与外径之比有关，而通过球形壳的导热系数与球形壳的绝对直径有关，所以当绝对半径不同时，导热系数是不同的。6在下列哪种情况下，发生在短圆柱体中的热传导问题可视为一维问题？答：当使用圆柱坐标系时，沿半径方向的热传导可视为一维问题。在什么条件下，扩展表面的热传导问题可以被视为一维问题？有些人认为只要延伸面是细长的，它就可以被视为一维问题。你同意这个观点吗？答：只要满足等截面直肋，一维问题就可以解决。我不同意，因为当膨胀表面的横截面不均匀时，不同横截面上的热流密度是不均匀的，不能视为一维问题。翅片高度的增加导致两种效应：翅片效率的降低和散热表面积的增加。因此，有人认为，随着翅片高度的增加，会出现一个临界高度，超过这个临界高度，翅片的热传导热通量反而会减少。试着分析一下这个观点的正确性。回答：错了，因为当翅片高度达到一定值时，通过该点横截面的热流密度为零。通过散热片的热流已经达到最大值，并且不会随着高度的增加而改变。10在等式(2-57)给出的解析解中，导热物体没有导热系数。请提供理论依据。答：因为方程(2-57)中描述的问题是稳态热传导，物体的热传导率沿x和y方向是相等和不变的。有人对二维矩形物体中稳态非内热源和常数物性的热传导问题进行了数值计算。矩形的一边是绝热的，其他三边是与流体在一定温度下的对流传热。你能预测他得到的温度场的解吗？答：是的，因为当一边是绝缘的，而其他三个边有相同的边界条件时，矩形物体内部的温度分布应该关于绝缘边的中心线对称分布。第三章思考问题1.试解释集总参数的物理概念为了降低表面积比，应选择热容量小的材料，并加强热电偶表面的对流传热。3.试着解释“无限板”的物理概念，并给出一两个可视为无限板的非定常热传导问题。答：所谓的“无限”板意味着它的长宽比它的厚度大得多，从边缘交换的热量可以忽略不计。无论如何，当板两侧的热交换均匀时，热量仅垂直于板表面的方向流动。例如在片材的两面均匀加热或冷却，炉墙或冷库的保温层可视为无限平板。4.非稳态热传导的正常状态或完全发展阶段是什么？就物理过程和数学处理而言，这一阶段的特点是什么？答：当非稳态热传导过程进行到一定程度时，初始温度分布的影响将消失，尽管各点的温度仍然是它随时间而变化，但超温率与时间无关，只有几何位置()和边界条件(毕数)这个阶段被称为正常状态阶段或完全发展阶段。这个阶段的数学处理非常方便。温度分布的计算只需取无穷级数的第一项。5.有人认为，当非稳态热传导过程需要很长时间时，用图3-7计算的结果是错误的。原因是：此图表明物体中各点的超温率与几何位置和毕有关，而与时间无关。然而，当时间趋于无穷大时，物体中每一点的温度都应该接近流体温度，因此这两者是矛盾的。你同意这个观点并解释你的理由吗？答：我不同意这种观点，因为随着时间的推移，尽管物体各点的超额温度比率保持不变但是每个点的温度绝对值是无限接近的。这与物体中每个点的温度接近流体温度的事实并不矛盾。6.试解释毕数的物理意义。它们代表什么样的热交换条件？有些人认为它代表绝热工作条件。你同意这个观点吗？为什么？答：毕数是物体内外热阻之比的相对值。结果表明，传热阻力主要集中在边界处，内部温度趋于均匀，可以用集总参数法进行分析和求解。结果表明，传热阻力主要是内部阻力，壁温可近似视为流体温度。认为绝热条件的表述是不正确的，即边界热阻相对于内部热阻来说是相对较大的，而在绝热条件下边界热阻是无限的。7.非稳态热传导问题的积解是什么，它的使用条件是什么？答：对于二维或三维非定常热传导问题，解等于几个一维问题相应解的乘积。该解是无量纲超温的形式。这是不稳定热传导问题的乘积解。它的使用条件是恒温介质和第三种边缘。边界条件或边界温度是固定的，初始温度是恒定的。8.什么是“半无限”物体？半无限物体的非稳态热传导有正常阶段吗？答：所谓的“半最大”物体是指平面一侧的空间无限延伸的物体：因为该物体在深度上无限延伸拉伸和初始表面温度的影响永远不会被消除，因此没有半死大物体不稳定热传导的正常阶段。10.本章讨论的是物理性质不变的情况。对于物性温度函数的情况，你认为如何获得非稳态热传导的温度场？答：从解析解可以看出，物体的无量纲超温是傅立叶数的负指数函数()。也就是说，在相同的尺寸和热交换条件下，具有较大导热系数的物体达到规定温度所需的时间越短3.热传导方程(5-4)和第三边界条件方程(2-17)之间有什么区别？回答：(5-4) (2-11)公式(5-4)中的h是一个未知量，而公式(2-17)中的h是一个已知的边界条件。另外，在公式(2-17)中是固体热导率，这个公式是流体热导率。公式(5-4)将用于推导包括h在内的无量纲数，h只是局部表面热导率，而整个热交换表面的表面系数应通过将牛顿冷却公式应用于整个表面来获得。4.对于公式(5-4)的表面，边界上垂直壁面上的热传递完全取决于热传导。流体流动在对流传热中起什么作用？答：固体表面上形成的边界层厚度除了与流体的粘度有关外，还与主流区的速度有关。流速越大，边界层越薄，导热热阻越小，从而影响传热。5.对流传热的完整数值描述应该包括什么？由于大多数实际的对流传热问题不能精确地解决，建立对流传热问题的数值描述有什么意义？答：对流传热问题的完整数字描述应该包括：对流传热微分方程和固定解条件。固定解条件包括(1)初始条件(2)边界条件(速度、压力和温度)。建立对流传热问题的数字描述的目的是找出影响对流传热的各种物理量之间的相互制约关系。每个关系必须满足动量、能量和质量的守恒关系，以避免在研究中遗漏某些物理因素。第六章复习问题1.这两种现象有什么相似之处，它们有什么共同点？答：它是指形式和内容相同的微分方程所描述的现象。如果与现象相关的物理量在相应的时间和地点彼此成正比，那么这两种现象是相似的。每一个相似的现象都有一个非常重要的特征，那就是描述该现象的同音异义特征(标准)的数量是相等的。(1)初始条件。指不稳定问题中初始时间的物理量分布。(2)边界条件。研究系统边界上的温度(或热六密度)和速度分布等条件。(3)几何条件。热交换表面的几何形状、位置和粗糙度。(4)物理条件。对象的类型和物理属性。5.对于外部管束的换热，只有当流动方向上的排数大于一定值时，整个管束的平均表面传热系数才与排数无关。试着分析原因。答：由于后排管受到前排管尾流(扰动)的影响，对平均表面传热系数的影响不会消失，直到管排数超过10排。6.试着简单描述一下管内流动和传热的完全发展的概念。答：当流体从一个大的空间进入管子时，管子中形成的边界层将从零发展到管子的中心线。这种效果不会改变，此时对流传热系数不会受到局部对流传热系数的影响。7、什么是大空间自然对流传热？什么是有限自然对流传热？在强制对流中，这种流动与外部流动和内部流动有什么异同？答：当自然对流发生在大空间时，流体的冷却过程和加热过程不会相互影响。当流动过程中形成的边界层相互干扰时，这就叫做有限空间自然对流。这类似于外部流动和内部流动的划分，但是流动的原因是不同的，一个是由外部因素引起的，另一个是由流体的温度引起的。第七章思考问题1.什么是膜冷凝和珠冷凝？薄膜冷凝时传热的主要阻力在哪里？答：凝结的液体扩散到墙壁上形成薄膜的凝结过程称为薄膜凝结。薄膜冷凝的主要热阻在液膜层。冷凝液体的冷凝形成3.有人说，在其他条