公用设备工程师-专业基础（暖通空调、动力）-传热学-2.3非稳态导热

公用设备工程师-专业基础（暖通空调、动力）-传热学-2.3非稳态导热[单选题]1.在非稳态导热过程中，瞬态导热过程根据温度的变化特性可以分为三个不同的阶段，下列说法中不正确的是()（江南博哥）。[2014年真题]A.在0.2＜Fo＜∞的时间区域内，过余温度的对数值随时间线性变化B.Fo＜0.2的时间区域内，温度变化受初始条件影响最大C.最初的瞬态过程是无规则的，无法用非稳态导热微分方程描述D.如果变化过程中物体的Bi数很小，则可以将物体温度当作空间分布均匀计算正确答案：C参考解析：非稳态的三个阶段中，初始阶段和正规状态阶段是以傅里叶数Fo＝0.2为界限。A项，在正规状态阶段（0.2＜Fo＜∞），过余温度的对数值随时间按线性规律变化；B项，Fo＜0.2为初始阶段，该阶段内受初始条件影响较大，且各个部分的变化规律不相同；C项，非稳态的导热微分方程在描述非稳态问题时并未有条件限制，即便是最初阶段也是可描述的；D项，毕渥准则数Bi为导热热阻与对流热阻的比值，当Bi较小时，说明物体的导热热阻接近为零，因此可以将物体温度当作空间分布均匀计算。[单选题]2.当固体导热过程Bi数趋于无限大时，描述该物体导热性质的正确说法是()。[2016年真题]A.物体温度可以近似等于流体温度B.物体内部导热能力远大于物体换热能力C.物体内部温度变化速度相对较快D.边界壁面温度等于流体温度正确答案：D参考解析：毕渥准则（Bi＝hδ/λ）表示物体内部导热热阻（δ/λ）与物体表面对流换热热阻（1/h）的比值，固体导热过程Bi数趋于无限大时，导热热阻远远大于对流换热热阻，这意味着表面传热系数趋于无限大，即对流换热的热阻趋于零，但内部导热热阻的大小无法确定，这时物体的表面温度几乎从冷却过程一开始便立即降低到流体的温度，即边界壁面温度等于流体温度，而物体内部的温度变化未可知。D.对于普通圆柱体L＝R，R为半径正确答案：D参考解析：毕渥准则的公式为：Bi＝hL/λ。式中，h为对流换热系数；L为物体的特征尺度；λ为导热系数。当Bi＜0.1时，物体表面的对流热阻远大于物体的导热热阻，热量在物体内部的传导无限快，可近似认为物体温度是均匀的，可以采用集总参数法。计算物体非稳态导热过程时，特征尺度L确定标准为：①对于无限大平板，L＝δ，δ为平板厚度的一半；②对于无限长圆柱体，L＝R/2；③对于圆球体，L＝R/3，R为半径；④对于不规则的物体，L＝V（体积）/F（散热面积）。[单选题]5.将初始温度为t0的小铜球放入温度t∞的水槽中，如果用集中参数法来分析，则在经过的时间等于时间常数时，τr＝ρcV/（hA）铜球的温度应为()。[2009年真题]A.0.368t∞＋0.632t0B.0.618t∞＋0.382t0C.0.5t∞＋0.5t0D.0.632t∞＋0.368t0正确答案：D参考解析：非稳态导热温度场与时间关系为：可知，当时间τ＝τr＝ρVc/（hA）时，t＝0.632t∞＋0.368t0。[单选题]6.某小铜球的直径12mm，热导率26W/（m·K），密度8600kg/m3，比热容343J/（kg·K），外部传热系数48W/（m2·K），初始温度15℃。放入75℃的热空气中，该小铜球温度达到70℃的时间大约需要()。[2010年真题]A.915秒B.305秒C.102秒D.50秒正确答案：B参考解析：计算步骤如下：①判断是否能用集总参数法求解。毕渥准则的公式为：Bi＝hδ/λ。由题意可得，传热系数h＝48W/（m2·K），特征尺寸δ＝R/3＝0.002m，导热率λ＝26W/（m·K），则Bi＝48×0.002/26＝0.042＜0.1。因此，可以用利用集总参数法求解。②计算时间。应用集中参数法的时间公式为：因此，该小铜球温度达到70℃的时间大约需要305s。[单选题]7.根据常热流密度边界条件下半无限大物体的非稳态导热分析解，渗透厚度δ与导热时间τ的关系可以表示为()。（其中α为热扩散系数，c为常数）[2017年真题]A.δ（τ）＝ατB.δ（τ）＝cτC.D.正确答案：D参考解析：对于常热流密度边界条件下的非稳态导热，其热渗透厚度δ满足：其中α是物质的热扩散系数，为常数。则热渗透厚度δ也可以表示为：式中，c为常数，且。[单选题]8.下列几种表达Bi准则的含义，正确的应是()。A.Bi准则愈大，则物体内部导热热阻愈小B.Bi准则愈小，则物体内部导热热阻愈大C.Bi准则愈大，则物体内部温度愈快趋向于一致D.Bi准则表示物体内部导热热阻与物体表面对流换热热阻之比正确答案：D参考解析：毕渥准则是表征物体内部导热热阻δ/λ与物体表面对流换热热阻1/h的比值，即Bi＝hδ/λ＝（δ/λ）/（1/h）。Bi数值的大小直接反映物体内的温度分布状况。Bi准则越小，表示导热热阻越小，外部热阻越大，表示物体内部温度易趋向于均匀；Bi准则越大，表示导热热阻越大，外部热阻越小，则意味着物体内部温度场的不均匀性非常强烈，情况较复杂。[单选题]9.关于Bi和Nu准则，下列说法错误的是()。A.Bi和Nu的表达式一样，式中物理量含义相同B.Bi是反映瞬态稳态导热问题的无量纲准则C.Nu是反映对流换热问题的无量纲准则D.Bi准则和Nu准则没有关系正确答案：A参考解析：毕渥准则Bi和努谢尔准则Nu的表达式一样，都为hl/λ，但式中物理量λ含义不同。Bi数中，λ是导热物体的导热系数；Nu数中，λ是流体的导热系数。Nu数的物理意义表示壁面附近的流体的无量纲温度梯度，它表示流体对流换热的强弱；Bi数的物理意义是导热体内部导热热阻与外部对流热阻的相对大小。[单选题]10.在下列哪种情况下可用集总参数法求解物体的瞬态加热或冷却问题()。A.物体几何尺寸很小B.物体导热热阻很小C.物体导热系数很大D.物体与流体间表面传热系数很大正确答案：B参考解析：集总参数法：Bi＜0.1。毕渥数的定义公式为：Bi＝hδ/λ＝（δ/λ）/（1/h）。式中，h为表面传热系数；δ为特征尺寸；λ为导热系数。当导热热阻δ/λ很小或表面对流换热热阻1/h很大即物体与流体间表面传热系数很小时，毕渥数Bi很小，故可用集总参数法求解物体瞬态加热或冷却的问题。[单选题]11.一直径为0.5mm的热电偶，热电偶材料的λ＝125W/（m·K），ρ＝8930kg/m3，c＝400J/（kg·K）。热电偶初始温度为25℃，突然将其放入120℃的气流中，热电偶表面与气流间的表面传热系数h＝95W/（m2·K），求热电偶的过余温度达到初始过余温度的1%时所需的时间为()s。A.8～12B.13～17C.18～22D.23～27正确答案：B参考解析：计算步骤如下：①计算毕渥准则数Bi，判断是否能用集总参数法计算。毕渥准则数Bi的计算公式为Bi＝hδ/λ。式中，h为表面传热系数，W/（m2·K）；λ为材料的热导率，W/（m·K）；δ为材料的定型尺寸。在该题中，δ＝d/2＝0.00025m。则Bi＝95×0.00025/125＝0.00019＜0.1。当Bi＜1时，可近似地认为物体温度是均匀一致的，则可以用集总参数法来求解问题。②用集总参数法求解时间τ，即ln（θ/θ0）＝－hAτ/（ρcV）。式中，θ为过余温度，θ＝t－tf；A为材料面积；V为材料体积；h为表面传热系数；ρ为材料密度。则时间τ为：因此，热电偶的过余温度达到初始过余温度的1%时所需的时间为13～17s。[单选题]12.将温度为20℃的热电偶突然放入200℃的空气中，10s后测得热电偶的温度为80℃，则热电偶温度上升到180℃所需要的时间为()。A.49.25sB.54.19sC.65.36sD.35.12s正确答案：B参考解析：由于热电偶的导热系数很大，因此近似认为物体温度是均匀一致的，采用集总参数法求解问