(2025年)传热学试题库(含参考答案)

(2025年)传热学试题库(含参考答案)一、选择题（每题3分，共30分）1.下列关于导热系数的描述中，错误的是（）A.纯金属的导热系数随温度升高而略有下降B.非金属固体的导热系数随温度升高而增大C.气体的导热系数随温度升高而增大D.液体的导热系数随温度升高一定增大答案：D（注：液体中如水的导热系数在4℃时最大，超过4℃后随温度升高反而减小）2.某平壁厚度为δ，两侧温度分别为t₁和t₂（t₁>t₂），若平壁材料的导热系数λ随温度升高而增大，则平壁内的温度分布曲线为（）A.上凸曲线B.下凸曲线C.直线D.无法确定答案：B（注：λ随温度升高而增大，温度梯度随x增大而减小，故温度分布下凸）3.外掠平板的对流换热中，当流动由层流转变为湍流时，关键影响参数是（）A.雷诺数ReB.普朗特数PrC.努塞尔数NuD.格拉晓夫数Gr答案：A（注：平板流动状态由Re判断，临界Re约为5×10⁵）4.下列关于黑体辐射的描述中，正确的是（）A.黑体的光谱辐射力与波长的关系满足维恩位移定律B.黑体的辐射力与热力学温度的平方成正比C.黑体的定向辐射强度随方向角θ增大而增大D.黑体的发射率ε=0.9答案：A（注：辐射力与T⁴成正比，定向辐射强度与方向无关，黑体ε=1）5.对于无限大平行灰体平板间的辐射换热，若两板发射率分别为ε₁和ε₂，则系统发射率εₛ为（）A.ε₁+ε₂B.(ε₁ε₂)/(ε₁+ε₂-ε₁ε₂)C.(ε₁+ε₂)/2D.ε₁ε₂答案：B（注：两无限大平行灰体间辐射换热的系统发射率公式）6.下列强化传热的措施中，最有效的是（）A.增大冷流体流量B.增大热流体流量C.在热阻较大的一侧加装肋片D.同时增大两侧流体流量答案：C（注：强化传热应优先降低最大热阻，肋片可有效增大换热面积或减小对流热阻）7.管内湍流强制对流换热时，若流体流量增大1倍（其他条件不变），则对流换热系数h约增大（）A.1倍B.0.8倍C.0.4倍D.2倍答案：B（注：湍流时h∝u⁰.⁸，流量增大1倍即u增大1倍，故h增大1⁰.⁸≈0.8倍）8.接触热阻产生的主要原因是（）A.材料导热系数不同B.接触面存在微观空隙，空隙内气体导热能力弱C.接触压力过大导致材料变形D.温度梯度方向与接触面不垂直答案：B（注：接触热阻源于界面空隙中的气体或真空层的低导热性）9.某换热器中，热流体从120℃冷却到80℃，冷流体从30℃加热到60℃，则顺流时的对数平均温差为（）A.50℃B.45.5℃C.30℃D.60℃答案：B（注：顺流Δt₁=120-30=90℃，Δt₂=80-60=20℃，Δt_m=(90-20)/ln(90/20)≈45.5℃）10.下列关于非稳态导热的描述中，错误的是（）A.毕渥数Bi≤0.1时，可视为集总参数法适用B.初始温度均匀的物体被突然加热时，温度分布随时间变化C.非稳态导热的热流量仅与物体内部导热热阻有关D.时间常数τ_c越小，物体温度响应越迅速答案：C（注：非稳态导热热流量还与边界换热条件有关）二、填空题（每空2分，共20分）1.傅里叶定律的数学表达式为________，其中负号表示________。答案：q=-λ(dt/dx)；热流方向与温度梯度方向相反2.对流换热的牛顿冷却公式为________，其中h的单位是________。答案：q=h(t_w-t_f)；W/(m²·K)3.普朗特数Pr的定义式为________，反映了________的相对大小。答案：Pr=ν/a；动量扩散与热量扩散能力4.黑体的辐射力E_b=________（斯忒藩-玻尔兹曼定律），其单位为________。答案：σT⁴；W/m²（σ=5.67×10⁻⁸W/(m²·K⁴)）5.换热器效能ε的定义是________，其取值范围为________。答案：实际换热量与最大可能换热量的比值；0<ε<1三、简答题（每题8分，共40分）1.简述导热、对流和辐射三种传热方式的主要区别。答案：①导热是物体内部或接触物体间的热量传递，依赖分子热运动，无需介质；②对流是流体内部因宏观运动引起的热量传递，必须有流体参与，常伴随导热；③辐射是通过电磁波传递热量，无需介质，高温物体辐射能力更强。2.分析影响管内强制对流换热系数的主要因素。答案：①流体物理性质（如λ、ρ、c_p、μ）；②流速u（流速增大，h增大）；③管子几何参数（管径d、长径比L/d、管壁粗糙度）；④流动状态（层流或湍流，湍流h更大）；⑤流体温度（影响物性参数随温度的变化）。3.解释“遮热板”减少辐射换热的原理，并说明其应用场景。答案：遮热板是低发射率的中间板，插入两辐射物体间时，会在板两侧形成两个新的辐射换热面。由于遮热板发射率低，其吸收和发射的辐射能减少，从而增加了系统的辐射热阻，降低总换热量。典型应用如航天器热防护、高温管道隔热层、冰箱冷藏柜的隔温板等。4.简述集总参数法的适用条件及物理意义。答案：适用条件为毕渥数Bi≤0.1（Bi=hδ/λ，δ为特征长度）。物理意义是当物体内部导热热阻远小于表面对流热阻时，物体内部温度分布可视为均匀，温度仅随时间变化，与空间位置无关，此时可用集总参数法简化非稳态导热计算。5.比较顺流和逆流换热器的优缺点。答案：①传热效果：逆流的对数平均温差大于顺流（当进出口温度相同时），故相同传热量下逆流所需换热面积更小；②出口温度：逆流可使冷流体出口温度更接近热流体进口温度，热流体出口温度更接近冷流体进口温度；③缺点：逆流换热器冷热流体进出口温差大，可能导致局部温度过高或过低，对材料要求更高；顺流则温度变化较平缓，适用于对流体出口温度有严格限制的场景（如某些化学反应过程）。四、计算题（共60分）1.（12分）一多层平壁由三层材料组成，厚度分别为δ₁=0.3m（λ₁=1.2W/(m·K)）、δ₂=0.2m（λ₂=0.5W/(m·K)）、δ₃=0.1m（λ₃=0.1W/(m·K)）。已知平壁左侧温度t₁=500℃，右侧温度t₄=50℃，求：（1）单位面积热流量q；（2）各层界面温度t₂、t₃。解：（1）总热阻R=δ₁/λ₁+δ₂/λ₂+δ₃/λ₃=0.3/1.2+0.2/0.5+0.1/0.1=0.25+0.4+1=1.65(m²·K)/W单位面积热流量q=(t₁-t₄)/R=(500-50)/1.65≈272.73W/m²（2）t₂=t₁-qδ₁/λ₁=500-272.73×0.3/1.2=500-68.18≈431.82℃t₃=t₂-qδ₂/λ₂=431.82-272.73×0.2/0.5=431.82-109.09≈322.73℃2.（15分）外径为50mm的蒸汽管道，外包一层厚度为40mm的保温材料（λ=0.1W/(m·K)）。已知管道外壁温度t_w1=150℃，保温层外表面温度t_w2=50℃，求每米管长的热损失q_l，并判断增加保温层厚度是否一定能减少热损失（管道内蒸汽温度远高于环境温度）。解：（1）保温层外半径r₂=(50/2+40)=65mm=0.065m，内半径r₁=25mm=0.025m每米管长热阻R_l=(1/(2πλ))ln(r₂/r₁)=(1/(2π×0.1))ln(0.065/0.025)≈(1/0.628)×0.956≈1.522(m·K)/Wq_l=(t_w1-t_w2)/R_l=(150-50)/1.522≈65.7W/m（2）当保温层外径小于临界热绝缘直径d_c=2λ/h（h为保温层外表面与环境的对流换热系数）时，增加保温层厚度可能导致热损失先增大后减小；若当前保温层外径已大于d_c，则增加厚度会减少热损失。本题中未给出h，假设h=10W/(m²·K)，则d_c=2×0.1/10=0.02m=20mm，而当前保温层外径为65mm>20mm，故增加厚度会减少热损失。3.（15分）100℃的热水以0.5m/s的流速流过内径为20mm的铜管（长度L=5m），管外为20℃的空气，对流换热系数h=50W/(m²·K)。已知水的物性参数：ρ=960kg/m³，c_p=4180J/(kg·K)，μ=2.8×10⁻⁴Pa·s，λ=0.68W/(m·K)，Pr=1.7。求：（1）管内水的对流换热系数h_i；（2）单位管长的总换热量q_l（忽略管壁导热热阻）。解：（1）Re=ρud/μ=960×0.5×0.02/(2.8×10⁻⁴)=960×0.01/0.00028≈34285.7>10⁴，为湍流取湍流强制对流关联式Nu=0.023Re⁰·⁸Pr⁰·⁴（加热流体，Pr取0.4次方）Nu=0.023×(34285.7)⁰·⁸×(1.7)⁰·⁴≈0.023×(34285.7^0.8)×1.23≈0.023×2630×1.23≈74.2h_i=Nu×λ/d=74.2×0.68/0.02≈2522.8W/(m²·K)（2）总热阻R_l=1/(πd₁h_i)+1/(πd₁h_o)（d₁为管内径，d₁=0.02m，h_o=h=50W/(m²·K)）R_l=1/(π×0.02×2522.8)+1/(π×0.02×50)≈(1/158.5)+(1/3.14)≈0.0063+0.318≈0.324(m·K)/Wq_l=(t_water-t_air)/R_l=(100-20)/0.324≈246.9W/m4.（18分）两个平行放置的无限大灰体平板，面积均为A=2m²，温度分别为T₁=800K、T₂=500K，发射率ε₁=0.8、ε₂=0.6。（1）求两板间的辐射换热量Q；（2）若在两板间插入一块发射率ε₃=0.1的遮热板，求此时的辐射换热量Q’（忽略遮热板厚度和导热热阻）。解：（1）无限大平行灰体间辐射换热量公式：Q=(ε₁ε₂Aσ(T₁⁴-T₂⁴))/(ε₁+ε₂-ε₁ε₂)代入数据：Q=(0.8×0.6×2×5.67×10⁻⁸×(800⁴-500⁴))/(0.8+0.6-0.8×0.6)计算分子：0.48×2×5.67e-8×(4096e8-625e8)=0.96×5.67e-8×3471e8≈0.96×5.67×3471≈0.96×19680≈18892.8W分母：1.4-0.48=0.92Q=18892.8/0.92≈20535.7W（2）插入遮热板后，形成两个辐射换热面（1-3和3-2），总换热量Q’满足：Q’=σA(T₁⁴-T₃⁴)/(1/ε₁+1/ε₃-1)=σA(T₃⁴-T₂⁴)/(1/ε₃+1/ε₂-1)因两式相等，可得(T₁⁴-T₃⁴)/(1/ε₁+1/ε₃-1)=(T₃⁴-T₂⁴)/(1/ε₃+1/ε₂-1)代入ε₁=0.8,ε₂=0.6,ε₃=0.1：(800⁴-T₃⁴)/(1/0.8+1/0.1-1)=(T₃⁴-500⁴)/(1/0.1+1/0.6-1)计算分母：左=1.25+10-1=10.25；右=10+1.666-1=10.666则(4096e8-T₃⁴)/10.25=(T₃⁴-625e8)/10.666解得T₃⁴≈(4096e8×10.666