公用设备工程师-专业基础（暖通空调、动力）-传热学-2.5对流换热分析

公用设备工程师-专业基础（暖通空调、动力）-传热学-2.5对流换热分析[单选题]1.流体外掠平板形成边界层，下列关于边界层厚度及流动状态表述中，不正确的说法是()。[2012年真题（江南博哥）]A.边界层内可以依次出现层流和湍流B.随着板长度增加，边界层厚度趋于定值C.边界层厚度与来流速度及板面粗糙度有关D.当流动长度较大时，边界层内可以出现湍流正确答案：B参考解析：如图2-5-1所示，流动边界层是指从流体所接触的壁面上流体运动速度为零，到接近流体主流速度的这一流体层。因边界层内流体流动状态不同而有层流边界层和紊流边界层，由层流边界层发展到旺盛的紊流边界层是逐渐过渡的，这一区域称为过渡区（或过渡流）。边界层厚度与来流速度及板面粗糙度有关。当板长有一定的长度时，边界层在前半段为层流，后半段由层流转化为湍流，因此，边界层内可以依次出现层流和湍流。如果板长增加，边界层厚度会随着板长的增加而增加。图2-5-1流体外掠平板边界层[单选题]3.在对流传热过程中随着流体黏度的增大，其对对流传热过程的影响的正确说法为()。[2019年真题]A.对传热和流动无影响B.雷诺数Re减小，努谢尔特Nu数保持不变C.层流时，表面阻力系数增大，对流传热系数下降D.普朗特数Pr增大，对流传热系数定增大正确答案：C参考解析：A项，黏度对传热和流动有影响。B项，黏度增大，雷诺数减小，对流传热系数h减小，努谢尔特Nu数减小。D项，黏度增大，普朗特数Pr增大，对流传热系数减小。[单选题]4.当管内进行单项受迫湍流换热，流体被加热，采用Nu＝0.023Re0.8Pr0.4进行计算，则换热系数h与Re、Pr和各参数（管径d、导热率λ、黏度μ、流速u及比热容cp）间的关系正确表述为()。[2016年真题]A.u增大，则h增大B.Re增大，则h减小C.λ或ρ或cp增大，则h不变D.d增大，则h增大正确答案：A参考解析：将努谢尔准则数Nu＝hl/λ，雷诺数Re＝ul/υ，普朗特准则数Pr＝υ/a带入Nu＝0.023Re0.8Pr0.4中，可得换热系数h＝（u0.8，λ0.6，cp0.4，ρ0.8，d－0.2），所以换热系数h与管径d成反比，与流速u、雷诺数Re、导热率λ、密度ρ、比热容cp成正比。因此，当u增大时，h增大；Re增大，h增大；λ或ρ或cp增大，h增大；d增大，h减小。[单选题]5.温度为t∞的空气以流速u∞掠过温度恒为tw的平壁时的层流受迫对流传热问题，在一定条件下可以用边界层换热积分方程求解。用这种方法得到的对流传热准则关系式表明，局部对流传热系数hx沿流动方向x的变化规律为()。[2009年真题]A.hx∝x1/2B.hx∝x1/5C.hx∝x1/3D.hx∝x－1/2正确答案：D参考解析：温度为t∞的空气以速度u∞掠过温度恒为tw的平壁时，层流受迫对流传热的经验准则关联式为：。由Nux＝hxx/λ，得到则hx∝x－1/2。[单选题]6.采用对流换热边界层微分方程组，积分方程组或雷诺类比法求解对流换热过程中，正确的说法是()。[2010年真题]A.微分方程组的解是精确解B.积分方程组的解是精确解C.雷诺类比的解是精确解D.以上三种均为近似值正确答案：A参考解析：对流换热的求解方法包括分析法、类比法和实验法。分析法包括微分方程组求解和积分方程组求解。在所有方法中，只有微分方程组的解是精确解；积分方程组的求解要先假设速度和温度的分布，因此是近似解；雷诺类比的解是由比拟理论求得的，也是近似解。[单选题]7.求解导热微分方程需要给出单值性条件，下列选项中哪一组不属于单值性条件？()。[2017年真题]A.边界上对流换热时空气的相对湿度及压力B.几何尺寸及物性系数C.物体中的初始温度分布及内热源D.边界上的温度梯度分布正确答案：A参考解析：单值性条件包含初始条件、边界条件、几何条件和物理条件。边界条件分为三类，第一类边界条件规定了边界上的温度值；第二类边界条件规定了边界上的热流密度值；第三类边界条件规定了边界面与流体间的换热系数和流体的温度。B项属于单值性条件中的几何条件和物理条件，C项属于单值性条件中的初始条件，D项属于单值性条件中的边界条件，而A项不属于单值性条件中的初始条件、边界条件、几何条件和物理条件任意一项，因此答案为A。[单选题]8.下列换热工况中，可能相似的是()。[2014年真题]A.两圆管内单相受迫对流换热，分别为加热和冷却过程B.两块平壁面上自然对流换热，分别处于冬季和夏季工况C.两圆管内单相受迫对流换热，流体分别为水和导热油D.两块平壁面上自然对流换热，竖放平壁分别处于空气对流和水蒸气凝结正确答案：C参考解析：相似判定的三要素为：同类现象、单值性条件相似，同名的已定准则相等。对于对流换热现象，单值性条件包括：①几何条件，如换热表面的形状和尺寸等；②物理条件，如流体的类别和物性等；③边界条件，如进出速度、壁面温度等；④时间条件，各物理量是否随时间变化及如何变化。AB两项不满足同类现象；D项不满足同名的准则相等。[单选题]9.对流换热过程使用准则数及其关联式来描述换热过程参数间的关系和特性，下列说法不正确的是()。[2018年真题]A.自然对流换热采用Nu、Gr和Pr描述B.受迫对流换热采用Nu、Re和Pr描述C.湍流过程可以采用St＝Pr2/3Cf/2描述D.一般对流换热过程可以采用Nu＝f（Re，Gr，Pr，Fo，Bi）描述正确答案：D参考解析：AB两项，努谢尔特准则Nu＝hl/λ，它的数值大小反映了对流换热的强弱；雷诺准则Re＝ul/ν，它反映了流态对换热的影响；格拉晓夫准则Gr＝βgl3Δt/ν2，它表示流体自由流动的运动状态对换热的影响；普朗特准则Pr＝ν/a，它的数值大小反映了流体动量传递能力与热量传递能力的相对大小。C项，斯坦顿准则St＝Nu/（Re·Pr）＝h/（ucpρ）；柯尔朋类比律St·Pr－2/3＝Cf/2，即St＝Pr2/3Cf</sub>/2。该式适用于Pr＝0.5～50的流体掠过平板时流态为层流或紊流的情况。D项，无相变受迫稳态对流换热，且自然对流不可忽略时，努谢尔准则Nu的关联式为：Nu＝f（Re，Pr，Gr）；无相变受迫稳态对流换热，若自然对流可忽略不计，则Nu＝f（Re，Pr）；毕渥准则Bi和傅里叶准则Fo是非稳态导热过程中的准则数。[单选题]10.下列说法错误的是()。[2016年真题]A.Nu表征流体对流换热与传导换热的关系B.Gr表征自然对流浮升力与黏滞力的关系C.Re表征流体流动惯性力与重力的关系D.Pr表征动量扩散与热量扩散的关系正确答案：C参考解析：努谢尔准则数Nu表征对流换热热阻与导热热阻的关系；格拉晓夫准则数Gr表征流体流动浮升力与黏滞力的关系；雷诺数Re表征流体流动惯性力与黏滞力的关系，而非重力；普朗特准则数Pr反映流体的动量传递能力和热量传递能力的相对大小。[单选题]11.在雷诺类比中，用于表示阻力和对流换热的关系的准则数是()。[2016年真题]A.ReB.PrC.GrD.St正确答案：D参考解析：雷诺准则数Re表征流体流动惯性力与黏滞力的关系；格拉晓夫准则数Gr表征自然对流浮升力与黏滞力的关系；普朗特准则数Pr表征动量扩散与热量扩散的关系；斯坦顿准则数St表示阻力和对流换热关系的准则数。[单选题]12.确定同时存在自然对流和受迫对流的混合换热准则关系的是()。[2014年真题]A.Nu＝f（Gr，Pr）B.Nu＝f（Re，Pr）C.Nu＝f（Gr，Re，Pr）D.Nu＝f（FO，Gr，Re）正确答案：C参考解析：自然对流受Gr和Pr影响，受迫对流受Pr和Re影响。C项，受迫对流和自然对流同时存在时，努谢尔准则Nu的关联式为：Nu＝f（Re，Pr，Gr）；A项，仅自然对流存在时，则Nu＝f（Re，Pr）；B项，仅受迫对流时，则Nu＝f（Gr，Pr）。[单选题]13.用来描述流动边界层厚度与热边界层厚度之间关系的相似准则是()。[2006年真题]A.雷诺数ReB.普朗特数PrC.努谢尔数NuD.格拉晓夫数Gr正确答案：B参考解析：普朗特数Pr可用来描述流动边界层厚度δ与热边界层厚度δt之间关系的相似准则，即Pr－1/3＝δtub>/δ。A项，雷诺数（Re＝vl/υ），反映流体流动时惯性力与黏滞力的相对大小；C项，努谢尔数（Nu＝hl/λ）表征壁面法向流体无量纲过余温度梯度的大小，它既反映对流换热的强弱，又表示层流底层的导热阻力与对流传热阻力的比值；D项，格拉晓夫数（Gr＝gαΔl3/ν2）反映浮升力与黏滞力的相对大小。[单选题]14.能量和动量的传递都是和对流与扩散相关的，因此两者之间存在着某种类似。可以采用雷诺比拟来建立湍流受迫对流时能量传递与动量传递之间的关系，这种关系通常表示为()。[2007年真题]A.雷诺数Re与摩擦系数Cf的关系B.斯坦登数St与摩擦系数Cf的关系C.努谢尔数Nu与摩擦系数Cf的关系D.格拉晓夫数Gr与摩擦系数Cf的关系正确答案：B参考解析：平板对流换热时的修正雷诺比拟式为：Cf/2＝St·Pr2/3。式中，斯坦登数St＝Nu/（Re·Pr）；当普朗特数Pr＝1时，即可得到雷诺比拟式：Cf/2＝St。因此，雷诺比拟反映的是斯坦登数St与摩擦系数Cf的关系。[单选题]15.空气与温度恒为tw的竖直平壁进行自然对流传热，远离壁面的空气温度为t。描述这一问题的相似准则关系式包括以下三个相似准则()。[2008年真题]A.雷诺数Re、普朗特数Pr、努塞尔特数NuB.格拉晓夫数Gr、雷诺数Re、普朗特数PrC.普朗特数Pr、努塞尔特数Nu、格拉晓夫数GrD.雷诺数Re、努塞尔特数Nu、格拉晓夫数Gr正确答案：C参考解析：自然对流传热的相似准则关系式为：Nu＝C（Gr·Pr）n。因此，描述自然对流传热的相似准则数包括以下三个相似准则：普朗特数Pr、努塞尔特数Nu、格拉晓夫数Gr。[单选题]16.采用相似理论进行两个对流换热过程相似性判别时，错误的说法是()。[2017年真题]A.现象判别B.单值性条件判别C.同种准则判别D.流体种类判别正确答案：D参考解析：相似理论指出，只有同类的现象才能谈论相似问题，即首先要进行的是现象判别。其次，判别两个同类现象相似的条件为：同种准则相等，单值性条件相似。D项，单值性条件包含初始条件、边界条件、几何条件和物理条件。而流体种类判别属于单值性条件中的边界条件判别，因此仅判别流体种类是不足够的。[单选题]17.在对流换热过程中，两个现象相似的条件是()。[2013年真题]A.满足同一准则关联式及单值性条件B.速度与温度分布相似，且单值性条件相同C.只要满足几何相似、速度与温度分布相似及同类现象D.同类现象的换热过程，同名准则对应相等，单值性条件相似正确答案：D参考解析：判定两个现象相似的条件包括：①同类现象的换热过程；②同名准则数对应相等；③单值性条件相似。单值性条件包括几何条件、物理条件、边界条件和时间条件。假如一个是自然对流，另一个是沸腾换热，则不属于同类现象，则两个现象不相似。[单选题]18.在内外径分别为D和d的管道夹层通道内流动时，流动的当量水力直径为()。[2019年真题]A.dB.（D－d）/4C.（D－d）/2D.（D＋d）/（D－d）正确答案：B参考解析：当量水力直径的计算公式为：de＝A/U。式中，A为流道截面积，m2；U为流体润湿周长，m。在内外径分别为D和d的管道夹层通道内流动时，A＝πD2/4－πd2/4，U＝πd＋πD，则de＝A/U＝（πD2/4－πd2/4）/（πd＋πD）＝（D－d）/4。[单选题]19.牛顿冷却公式的正确表达式应是()。A.q＝（h/λ）（tw－tf）B.q＝（λ/h）（tw－tf）C.q＝h（tw－tf）D.q＝λ（tw－tf）正确答案：C参考解析：对流换热的基本计算公式是牛顿冷却公式，其公式为：q＝h（tw－tf）或Q＝hA（tw－tf）。[单选题]20.理论求解对流换热问题时，需要的方程组组成应为()。A.连续性方程、动量微分方程和能量微分方程B.对流换热过程微分方程、连续性方程、动量微分方程和能量微分方程C.傅里叶定律、连续性方程、动量微分方程和能量微分方程D.对流换热过程微分方程、傅里叶定律、动量微分方程和能量微分方程正确答案：A参考解析：对流传热系数的数学分析解需要联立求解对流传热微分方程组，对流传热微分方程组包括连续性方程、动量微分方程、能量微分方程。首先由动量方程和连续性方程求得速度场，进而获得边界层厚度及局部摩擦系数，然后由能量微分方程求解表面传热系数。[单选题]21.在()条件下，热边界层厚度与流动边界层厚度是相等的。A.Pr＜1B.Pr＞1C.Pr＝1D.不确定正确答案：C参考解析：普朗特数的定义式为：Pr＝υ/a。它的数值反映了流体的动量传递和热量传递能力的相对大小。热边界层厚度δt与流动边界层厚度δ的关系式为：δ/δt＝Pr1/3。因此当Pr＝1时，δ/δt＝1即热边界层厚度与流动边界层厚度是相等，动量守恒方程与边界层能量微分方程具有相同的边界条件。[单选题]22.流体以层流掠过平板时，在x长度内的平均表面传热系数h与x处局部换热系数hx之比即h:hx为()。A.1:3B.1:2C.2:1D.3:1正确答案：C参考解析：局部表面传热系数hx的公式为：hx＝0.332（λ/x）Re1/2Pr1/3；平均表面传热系数h的公式为：。因此h:hx＝2:1。[单选题]23.水沿常壁