哈工程传热学a卷试题及答案教学文稿

1、2011 年春季学期传热学（A 卷）答案一（ 10 分）外直径为 50mm 的蒸汽管道外表面温度为400，其外包裹有厚度为 40mm、导热系数为 0.11W/(mK) 的矿渣棉。矿渣棉外又包有厚为 45mm 的煤灰泡沫砖，导热系数为 0.12W/(mK) ，煤灰泡沫砖外表面温度为 50，试求通过每米长该保温层的热损失，并给出矿渣棉外表面温度。解：由多层圆筒壁的导热热流量公式可知：2l t1t3（3 分）ln d2 d1ln d3 d212其中 t1 400 , t350 , l1 m, d1 50mm, d2 130mm,d3 220mm （2 分）1 0.11W/(m K),2 0.12W/

2、(m K)带入公式，可得：168.25W（1 分）设矿渣棉外表面温度为t2 ，则由能量守恒定律可知：2 l t1t2（3 分），代入数据，可得： t 2 167.39 （ 1 分）ln d2 d11二（10 分）直径为 12mm、初始温度为 1150K 的钢球，突然被放置于温度为325K、表面传热系数为 20W/(m 2 的空气中冷却。已知钢球的物性如下： ，K)=40W/(m K)=7800kg/m3 ，c=600J/(kg K)。试确定钢球中心温度被冷却到400K 所需的时间？如果考虑辐射的影响，冷却时间应延长还是缩短？解：这是一个典型的非稳态热传导问题，先计算其毕渥数的大小：h（V /

3、A)200.00630.0010.1，故可以利用集总参数法计算此Bi40非稳态问题。（2 分）由公式：tthA（4分）t0texp0cV可得：cV lntt分）t 0（1hAt代入数值，可得：1122.21s（1 分）如果考虑辐射的影响，则钢球的散热强度增强，冷却时间会缩短。（2 分）三、（ 10 分） 当流体为空气时， 对横掠平板的强制对流换热进行实验测定， 测得空气温度相同时的结果如下：当 u120m/s 时， h150W/(m 2 K) ；ul当 u115m/s 时， h140W/(m 2 K) 。假定换热规律遵循如下函数形式：NuC Rem Pr n ，其中， C , m, n 为常数

4、，正方形的特征尺寸为对角线长度为l 。试确定：指数 m 的大小是多少？解：由题意知， NuC Re m Prn ， 由相似准则关系式知即 N u1 CRe1m Pr 1n ， Nu2 CRe2m Pr 2n ，对于空气： PrPr2（2 分）1mmm所以N u1Re1u1l /u1（3 分）Nu 2Re2u2l /u2又hlNN u，所以Nu1h1（2分）h2u 2因此，h1u1m，（1分）h2（）u220 m）， m 0.775 （2 分）40 15四（ 10 分）水以 0.9kg/s的流量在内径为d=2.6cm 的管内流动，管子内表面温度为 60，水的进口温度为20，求水被加热到40所需的

5、管长？已知水的物性参数为：温度102106CPPr( )(kg/m 3) W/ （mK ）（m2/s）kJ/（ kgK）20998.259.91.0064.1837.0230995.661.80.8054.1745.4240992.263.50.6594.1744.31解：t f204030oC2&0.9um1.70m / s（1 分）d 2995.60.026244Refud1.700.0265.4910 4104（2 分） 且流体被加热0.80510 6Nu 0.023Re 0.8 Pr0.40.023(54900) 0.85.42 0.4279.89（2 分）h Nu279.890.61

6、86652.77W/m2 K（1 分）d0.026&t f 1 )hd l (twt f )（2 分）根据热平衡，有： mcp (t f 2&t f 1)0.9 4.174320)lmcp (t f 210 (404.61m（1 分）h d(twt f ) 6652.773.14 0.026(60 30)l / d4.61177.3160不必修正（1 分）0.026l4.61m五、有一微元黑体表面，面积为 dA510 4 m 2 ，温度为 T1500 K ，与该黑1体表面相距 r0.5 m 处另有一个微元黑体表面， 面积为 dA2810 4 m2 ，温度为 T2 800 K，这两个微元面积的空

7、间方位如图所示，试计算从dA1 发出落在 dA2对 dA1 所张立体角中的辐射能量。根据立体角的定义ddA2 cos30o2.77 103sr （3分）r2Eb1I b1I b1Eb1 /5.67 54 / 3.14=1129W / ( m2 gsr) （2 分）I1dA1ddodI 1dA1dcos60o（3 分）cos60dI1dA1dcos60o（2 分）11295 10 42.77 10 30.5=7.82 10 4 W六、计算题（ 10 分）两个直径为 0.4 m 的平行同轴圆盘相距0.1 m ，两盘置于墙壁温度 T3300 K 大房间内，一圆盘 T1500K 、 106. ，另一圆

8、盘绝热。若两圆盘的背面均不参与换热，求圆盘 1 的净辐射散热量和绝热盘 2 的温度。已知同轴圆盘之间的角系数X 1,2 0.62 。解 :辐射网络图如下E b1RJ1RJ 3E b3113R12R23J 2E b 2（2 分）A1A2d 20.420.1256 m 244角系数 X1,20.62 ， X1,31X1,20.38R110.65.3 m 2，0.6 A1A3A1 ，R30， J3Eb3R12110.6212.84m 2A1 X1,20.1256R13R23A1110.3820.95m 2（1 分）X1,30.125611R12R23 / / R13R121112.841112.93

9、3m 2 （ 1 分）R23R1320.9520.95所以(T14T34 )5.67(5.043.04 )169.08 W（1 分）R1(R12R23 / /R13)5.31 12.933J1Eb1R15.675.04169.08 5.312645.9 W/m 2（ 1分 ）J1Eb2Eb3Eb20（ 2分 ）R12R23REJ R12.845.67 (3.0) 42 645.9 20.95E12b31 231 815 W m2b2R12R2312.8420.95（1 分）所以 T2Eb241 815423 K5.67 10 8（1 分）七（ 10 分）一台逆流式换热器用水来冷却润滑油。流量为

10、2.5kg/s 的冷却水在管内流动，其进出口温度分别为15 和 60，比热为 4174J/(kgK) ；热油进出口温度分别为110 和 70 ，比热为 2190 J/(kg K) 。传热系数为2 400W/(m K) 。试计算所需的传热面积并画出此时冷、热流体沿流动方向的温度曲线。对数平均温差为3 分）2 ）计算水所吸收的热量（2分）（ 3）计算传热面积由得(2 分)冷热流体的温度图形为（3 分）tt1 110 t260 t170 t215 A简答题：1（5 分）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。请判断这句话是否正确并给出理由。答：上述观点不对（ 2 分）。由于

11、描述一个导热问题的完整数学描写不仅包括控制方程，还包括定解条件，所以虽然非稳态导热的控制方程只与热扩散率有关，但边界条件中却有可能包括导热系数。 （3 分）2（5 分）串联热阻可以叠加的条件是什么？答：在一个串联的热烈传递过程中， 如果通过各个环节的热流量相同， 则各串联环节的的总热阻等于各串联环节的热阻之和。 （5 分）3（5 分）试解释为什么对于无限空间紊流自由流动，即使用了“错误的”定型尺寸，也能得出正确的表面换热系数？（无限空间紊流换热准则式1NumC Gr Pr m3 ）答：因为无限空间紊流自由流动换热的准则式NumC Gr Pr1m3 中指出，h与板的高度无关，所以能得出这些论点。

12、（2 分）具体推到过程如下：311hlgtl31gt31（2 分）lC2Pr3C2Pr 3vv它表明自然对流紊流的表面传热系数与定型尺寸无关，出现自模化现象。（1 分）4.蒸气与温度低于饱和温度的壁面接触时， 有哪两种不同的凝结形式？产生不同凝结形式的原因是什么？答：珠状凝结和膜状凝结。 （ 2 分）当凝结液体能很好地润湿壁面时， 在壁面上将铺展一层液膜， 这种凝结方式称为膜状凝结。（ 1 分）当凝结液体不能很好地润湿壁面时， 凝结液体在壁面上形成一个个液珠， 且不断发展长大，并沿壁面滚下，壁面将重复产生液珠、成长、滚落过程，这种凝结形式称为珠状凝结。（2 分）5.金属工件在炉内加热时， 工件的颜色随着加热温度的升高怎样变化？试从传热学的角度解释这一现象。 （5 分）答：当加热金属时可以观察到：金属温度低于 500时，由于没有可见光辐射，因此肉眼不能觉察到金属颜色的变化；（1 分）随着温度的不断升高，金属将相继呈现