北京理工大学材料加工冶金传输原理期末试题AB试题及答案解析

1、WORD格式整理冶金传输原理试题（A ）参考答案一、名词解释（每题2分，共16分）1. 不压缩流体：指流体密度不会随压强改变而变化，或该变化可忽略的流体。2. 速度边界层：指在靠近边壁处速度存在明显差异的一层流体，即从速度为 零到0.99倍的地方称为速度边界层。-uL3. 雷诺准数及其物理意义：Re二斗-，表征惯性力与粘性力之比。是流态的 判断标准。4. 黑度（发射率）：实际物体的辐射力与相同温度下黑体的辐射力之比称为 物体的黑度，也叫发射率。5. 傅立叶准数及其物理意义：Fo二葺，也称时间准数，表示非稳定传热所s进行的时间与其达到平衡状态所需要的总时间之比；或T寸间内非稳态传热的传热量与其达

2、到稳态（平衡）时传输的总热量之比。6. 热通量与传质通量：单位时间内通过单位面积的热量称为热（量）通量； 单位时间通过单位面积的物质量称为传质通量。7. 角系数：由表面1投射到表面2的辐射能量Q之占离开表面1的总辐射能量Q1的份数称为表面1对表面2的角系数，用符号12表示，即：12二d Q8. 流向传质与非流向传质：与流体流动方向相同的传质叫做流向传质；与流 体流向垂直的传质叫做非流向传质。二、填空题（每空1分，共19分）1 理想流体是指不存在 粘性力，或其作用可忽略的流体。2 气体超音速射流产生过程中，气体流股截面积先收缩后膨胀，压强丄 断降低。3 流场中流体各物理量只是 空间单一方向的函数

3、，称一维流场4 固体壁面无滑移边界条件是指 壁面速度与相接触的流体层速度相等 ：而 无渗透边值条件为 垂直于壁面方向流体速度为零 。5 如果流场中每点的物理量值都一致，则称其为丄匀场；如果各点的物理量 值不随时间而变化，则称其为稳态场。6 根据动量守恒定律，可以推导出纳维-斯托克斯方程；根据能量守恒定律，可以推导出传热微分方程；根据 质量守恒定律 则可以分别推导出 流体连续性方程方程和质量传输微分方程。7 研究对流给热的主要任务，就是求解对流给热系数 h。现在求解h的方法 有四种，它们分别是边界层微分方程组解析解、边界层近似积分解、类 比律法、和相似理论指导下的实验方法 。8 一般说来，固体的

4、导热系数 大于（大于、等于、小于）液体，液体的导 热系数 大于（大于、等于、小于）气体；在固体中，通常金属的导热系数大于（大于、小于、等于）非金属，结晶物质的导热系数大于（大于、小于、等于）非晶物质的导热系数；大多数金属的导热系数随温度的 升高而降低（升高、降低、不变）。1.、选择题（每题5分，共15 分）伯努利方程表达式错误的是2A.gz卫匸常数B.Zi旦 Z2:g 2gg 2g专业资料值得拥有D.Pv2p2v2gZi焉y=gZ2g72. 单层圆筒壁内外流经物性和温度均不同的流体1和流体2,那么该单层圆筒壁在第III类边界条件下，一维稳态导热的总热阻为R沪 B 。A.丄丄lnh-i2 二d_

5、2dih2B.1hd丄2Tlnd2 .1d1h2 二 d2Lnzi =1lndi 1di2 二Llnd2d13. 已知环境流体对直径为100mm的圆柱体的总对流给热系数h为120W/（m2 ;C），圆柱体的平均导热系数入为163 W/（m -C），比热 Cp为440J/（kg C），密度 p 为 8800 kg/m3，则C。A因为体系的Bi = 0.07360.033,所以不能视为薄材。C 因为体系的Bi = 0.0368V0.1，所以可以视为薄材。D 因为体系的Biv = 0.07360.05,所以不能视为薄材四、简答题（每题5分，共20 分）1. 流体流动过程主要受到哪几类力的作用？各自常

6、见的力有哪些？ 流体主要受到体积力和表面力两大类力的作用， 体积力常见的有：质量力、 电磁力；表面力常见的有：粘性力和压应力。2. 请说明-yx的物理含义yx.1 duxdy yx首先是粘性应力，由于x方向流动速度在y方向存在差异而产生于流 体内部。下角标y表示力的法向，x表示力的方向。 yx同样代表粘性动量通量，此时下角标y表示动量传递方向，x表示动量 的方向。3. 简述对流给热（换热）的机理，为什么说边界层导热是对流给热的限制性 环节？答：对流给热是指流体流经与之温度不同的固体界面时，流体与固体之间 所发生的热量传输现象，是对流传热和传导传热的综合结果。在流体与固体壁 面交界处存在（速度边

7、界层和）温度边界层，温度边界层外近似无温度梯度， 温度梯度只存在于边界层内。对于层流边界层，层与层之间没有宏观物质传输， 传热主要依靠传导传热，热阻很大；湍流边界层内由于存在层流底层， 传热也 要依靠传导传热，热阻也很大。因此，边界层导热是对流给热的限制性环节。4. 简述气体辐射与火焰辐射及其区别。答：气体的辐射和吸收能力与其分子结构有关，对波长有明显的选择性， 因此气体的辐射和吸收光谱是不连续的，支能吸收或辐射一定波长范围的辐射 能，不同的气体，波长范围不同；另外气体辐射属于表面辐射。而实际火焰中 一般含有大量的固体颗粒，多是发光火焰，少有纯净气体燃烧发出的不发光火 焰，因此在火焰辐射中起主

8、要作用的是炭黑、 灰尘等固体颗粒，这些固体颗粒 的辐射和吸收类似于固体辐射，可以在可见光谱和红外光谱范围内连续发射辐 射能量，由此它们的光谱是连续的。WORD格式整理五、计算题（每题10分，共30分）1. 粘性系数=0.048Pas的流体流过两平行平板的间隙，间隙宽 4mm ,u =（3 y）流体在间隙内的速度分布为：，其中C为待定常数，y为垂直于平板的坐标。设最大速度Umax 4m/s,试求最大速度在间隙中的位 置及平板壁面上的切应力。解：1 ）由速度分布可知y坐标原点位于下平板ducc门02 Ey y =0= ydy2即中心处u取最大值，在两板中央取速度最大值（5分）将 y = /2代入速

9、度分布式Umaxd-、2丿=c=4Umax=4 4=16 m/s(7 分)dudy2y“048 164 曲2 n/m2专业资料值得拥有二 - 192(n /m 2)WORD格式整理（10分，能给出一个就给分。未求出 C值者扣2分）流体作用于上下平板的壁面切应力都是192（n/m2）,且均指向流动方向，而正负号不同则源于应力正负向的规定。2. “冰冻三尺，非一日之寒”。设若地表可以看作是半无限厚物体，温度分布可表示为空=er? i,初始温度为to=1OC，后受到冷空气侵袭,12如丿地表温度突然降为tw=-15C并维持不变。确定这种条件下，地面下 1m处 温度降为0C所需的时间。已知：地表土壤土质

10、均匀，土壤物性参数分别为：匸= 2050kg m-3,，= 0.52W m-1 C-1,Cp = 1840J kg-1 C-1 ;高斯误差专业资料值得拥有函数表如下：erf(0.42)= 0.45erf(0.50)= 0.52erf(0.58)= 0.59erf(0.66)= 0.65erf(0.74)= 0.70 erf(0.44) = 0.47 erf(0.52) = 0.54 erf(0.60) = 0.60 erf(0.68) = 0.66 erf(0.76) = 0.72 erf(0.46) = 0.48 erf(0.54) = 0.55 erf(0.62) = 0.62 erf(0

11、.70) = 0.68 erf(0.78) = 0.73 erf(0.48) = 0.50 erf(0.56) = 0.57 erf(0.64) = 0.63 erf(0.72) = 0.69 erf(0.80) = 0.74解：依题意，地表的降温可以看作是办无限厚物体的导热。地表土壤的 物性取为aw38 E宀所以有瓷（心0-匚一瓦即:10P (1比二 0 6查表得：由上面的分析可知当地表温度很低时，地下还可以保持较高的温度 所以将水管埋在地下可防止水结冰。3. 干空气以5m/s的速度吹过O.3mx 0.3m的浅的盛水盘，在空气温度 30C、 水温10C的条件下，已知水分子在空气中的扩散系数D

12、=2.44 X0-5m2/so问：水的蒸发速率（g/s）是多少？（若空气沿平板流动为层流，则有1141S0.664Re2Sc3;若空气沿平板流动为湍流时，则 Sh= 0.0365R6TSC5）;不同温度下物性参数如下：温度，C102030动量扩散系数n值，10-6 m2/sM4.1615.0616.00：水表面饱和水蒸气的密度 p g/m39.40417.3130.40R 9解：以题意，v=5m/s，L=0.3m, tf =30T，tw=10C，D=2.44 X0- m /s 得知：tm 丄 如=30 10 =20 C,查得 20C条件下 n=15.06X 10-6 m2/s，2 2并求得:n

13、Sc 一D15.06 102.44 10= 0.6172v L 503.u心=15E=9.96 105 10，属于层流，适用层流绕流平板准数方程，于是有：k l114 11Sh0.664Re2Sc3 =0.664 9.96 10 2 0.61723 =178.4Dk=4=178.4 244 10#L0.3= 1.45 10 m/sn 二 k F 匸-1.45 10“ 0.3 0.39.404-0-1.227 10 经 g/s答：水的蒸发速率是1.227X 10-2 g/s冶金工程冶金传输原理试题（ B）名词解释（每题2分，共16分）1. 层流流体质点在流动方向上分层流动，各层互不干扰和掺混，这

14、种流线呈平等状 态的流动称为层流。2. 表面力作用于流体微元界面（而非质点）上的力，该力与作用面的大小成比例3. 粘性系数表征流体变形的能力，由牛顿粘性定律所定义的系数：，速度梯度duxdy为1时，单位面积上摩擦力的大小。4. 热通量与传质通量：单位时间内通过单位面积的热量称为热通量；单位时 间通过单位面积的物质量称为传质通量。5. 温度梯度：在温度场中某点P的温度梯度定义为该点所在等温面或等温线 法线方向，单位长度上的温度增量。6. 修伍德准数的表达式：Sh二kc LDa t7. 傅立叶准数的物理意义：Fo，傅立叶准数又称时间准数，表征不稳s态传热趋于稳态的程度，或者说是不稳态传热进行的时间

15、与由不稳态传热 达到稳态所用总时间之比。8. 黑度（辐射率、发射率）：实际物体的辐射力与相同温度下黑体的辐射力 之比称为物体的黑度，也叫发射率、辐射率。1、填空题（每空1分，共19分）1. 一维圆管中的质量守恒表达式为uA=（或 1u 1A2umJA 1 u A 2 U A2. 伯努力方程的物理意义是压能、能、势能总和守常。其积分式应用条件是不可压缩、沿流线、稳态流、理想流体、只有重力场。3. 如果动量传输微分方程可以写作-：VxCT:VxVx-:x2 2 2c vxC vxC vx+x+二 2 2 2 I fixcycz输 微 分 方 程 可七gx 则热量传以 写 作.:xVy-：Vx:y:

16、zcx2.2.2_dVx + 6 VxcyczJ广厂2厂_2广q2厂C CA + C CA + C CA 2 泳cycz+Vx红十Vy匹+Vz西=a竺+2十竺+乩），质量传输微分方 ct &cy血I馭內z丿PCp 程可以写作-C A- C A_ C A- C A +v + v + v =Da xyza-；y : z4. 影响流体对流给热系数的因素可以归结为四个方面。它们分别为：流体流速、流体的物性参数、流体温度和和固体壁面的几何形状、尺寸。5. 一般说来，固体的导热系数 大于（大于、等于、小于）液体，液体的导 热系数 大于（大于、等于、小于）气体；在固体中，通常金属的导热系 数比非金属_大_

17、（大、小、等于），结晶物质的导热系数要比非晶物质的导热系数 大（大、小、等于）；大多数金属的导热系数随温度的升高而 低_ （升高、降低、不变）。三、选择题（每题5分，共15 分）4. 纳维尔-斯托克斯方程表达式正确的为DA.如二 JX - J( d:-2 2Ux; U化2*:-:y-22 czB.二如=Pd:-2 -2 -2r-2鱼+uy；y八如二:X -兰d-芈X -兰亠厶旦)f )八cV -2f 2r 2):z:-:-:y :zt(x x) _ t5. 如果半无限厚、无限大平壁的温度分布可写作A(x,.)-，有限to - t ft( x x) _ t厚、无限大平板的温度分布可写作B(x,

18、)-，无限长圆柱体的totf温度分布可写作c(rJ=罟，那么，一个半无限长圆柱体内的温度分布式可写作c。A. A X BB. B X CC. A X CD. A X B X C6. 现有两种保温材料，要敷设在外径为 0.025m的管道外层保温。已知保温 材料I的导热系数 I = 0.135 J/smC，保温材料U的导热系数 n =0.090J/sm C，保温层外表面与空气的对流给热系数 h= 9 J/sm2 C。那么, 不管敷设厚度如何，只要敷设，f能对管道起到保温作用。E. 保温材料IF. 保温材料UG. 保温材料I和U两者都H. 保温材料I和U两者都不四、简答题(每题5分，共20 分)5.

19、 纳维尔-斯托克斯方程和欧拉方程的应用条件各是什么？N-S方程：不可压缩、物性守常、粘性流体欧拉方程：无粘流体6. 什么是速度边界层，边界层的提出有何意义？指在靠近边壁处速度存在明显差异的一层流体，即从速度为零到0.99倍的 地方称为速度边界层。提出后对于湍流流动可分为主流区(无粘流动)和 边界层流动，据各自方程可求速度，使原本不可求的流动问题可解。7. 在室内温度相同、穿着相同的条件下，为什么冬天的室内比夏天的室内让 人感觉更冷？答：是因为人体与墙壁辐射换热的作用。室内气温相同、穿着相同的条件下，人的体温大致相同。但冬天的墙壁温度要低于夏天的墙壁温度，冬天 人体通过辐射换热传给墙壁的热量要比

20、夏天的大，因此会使人感觉更冷8. 分子扩散传质与传导传热的联系与区别：两者都是依靠物体之间相接触时 分子或原子(基本粒子)之间的热运动来实现的，在温度差和浓度差同时 存在时，基本粒子之间的热运动可同时引起分子扩散传质和传导传热，这 是他们之间的联系。区别是分子扩散传质要发生宏观物质位移，而传导传 热则没有或可以忽略。因此温度对分子扩散传质和传导传热的影响是不同 的。五、计算题(每题10分，共30 分) kh 亠1. 设静止液体中密度随深度h而增加，.0式中k为常数，0为上液面密度，试据运动方程推导液体中压强随深度变化规律。並二 Jg 二 kh g dhh?02=0 kh gdh2k2. 用热电

21、偶测量钢水的温度。已知钢水的温度为1650E，热电偶插入钢水前 的温度为20C。热电偶的接点可以看作是球形，直径d = 1mm，密度p=7900kg/m3,等压比热 Cp=420 J/(kgC)，导热系数 启50 W/(m C)。热电 偶接点与钢水的对流换热系数 h = 3000 W/(m2C)。已知 薄材”的无量纲温9f h F度计算公式为 =exp - 忑，求热电偶测得钢水温度为1648C时90 PCpV 丿所需的时间。解：首先判断热电偶是否为 薄材”h r 3000 汇 0 5 汇10 ”Bi 一二讪3心，满足薄材”勺条件，可以视为薄 材”根据薄材”的无量纲温度计算公式可知日t -tf，

22、0to _ t f=exp BiV Fov二 expaV/F 2=exp仝4h Fto tf7900 420 0.5 10”，1648-1650In 3000 320-1650-0.1843 6.703= 1.24 s答：热电偶测得钢水温度为1648 E时所需的时间为1.24s。3. 原始含炭量为0.10%碳的低碳钢工件在950r温度下表面渗碳，这时碳在 钢中的平均扩散系数为D=3.0 10-11m2/s,若在渗碳气氛中使表面碳浓度p维持在1.5%,已知半无限厚平 板分子 扩散的浓度分 布可表 示为：度。P_PW0求:经过5小时后距表面1.0mm深度处的碳浓erf(0.50)= 0.52050erf(0.