2025年传热学模拟试卷及答案

2025年传热学模拟试卷及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.下列关于傅里叶定律的表述中，错误的是（）。A.适用于稳态和非稳态导热过程B.热流密度方向与温度梯度方向相反C.导热系数λ的单位是W/(m·K)D.定律表达式为q=-λ(∂t/∂x)，其中负号仅表示数学上的方向关系2.影响对流换热系数h的最主要因素是（）。A.流体的导热系数B.流体的流动状态（层流或湍流）C.换热表面的几何形状D.流体的比热容3.黑体的辐射力与热力学温度的（）成正比。A.一次方B.二次方C.三次方D.四次方4.对于圆管外敷设保温层的情况，当保温层外径小于临界热绝缘直径时，随着保温层厚度增加，散热量会（）。A.先减小后增大B.先增大后减小C.持续增大D.持续减小5.毕渥数Bi的物理意义是（）。A.固体内部导热热阻与表面对流换热热阻的比值B.流体内部导热热阻与表面对流换热热阻的比值C.固体内部导热速率与表面对流换热速率的比值D.流体内部导热速率与表面对流换热速率的比值6.接触热阻产生的主要原因是（）。A.接触面存在微观间隙，间隙内流体的导热系数远小于固体B.接触面材料不同，导热系数差异大C.接触面温度梯度不连续D.接触面存在宏观空隙，导致热流路径变长7.集总参数法适用于（）的情况。A.Bi≤0.1B.Bi≥0.1C.Fo≤0.1D.Fo≥0.18.肋片效率η的定义是（）。A.肋片实际散热量与肋片最大可能散热量的比值B.肋片最大可能散热量与肋片实际散热量的比值C.肋片根部温度与环境温度的差值D.肋片表面平均温度与根部温度的比值9.大容器饱和沸腾曲线中，临界热流密度对应的是（）阶段。A.自然对流沸腾B.核态沸腾C.过渡沸腾D.膜态沸腾10.对于两平行大平壁的辐射换热，若两表面发射率分别为ε₁和ε₂，则系统发射率ε₁₂为（）。A.ε₁+ε₂B.1/(1/ε₁+1/ε₂-1)C.ε₁·ε₂D.(ε₁+ε₂)/2二、填空题（每空1分，共20分）1.傅里叶定律中的负号表示热流方向与（）方向相反。2.努塞尔数Nu的定义式为（），其物理意义是（）。3.大空间自然对流中，判断流态（层流或湍流）的特征数是（），其临界值约为（）。4.黑体的辐射力公式为（），其中σ为（）常数，数值为（）。5.临界热流密度是（）沸腾向（）沸腾转变的转折点，此时若继续加热会导致（）。6.接触热阻的主要影响因素包括（）、（）和（）。7.肋片的主要作用是（），其效率随肋片（）的增加而降低。8.集总参数法的适用条件是（），此时物体内部（）可忽略。9.辐射换热中，角系数X₁,₂表示（），其取值范围是（）。10.强化传热的主要途径包括（）、（）和（）。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述毕渥数（Bi）与努塞尔数（Nu）的区别，包括定义、物理意义和应用场景。2.画出大容器饱和沸腾曲线（q-tw曲线），标注主要阶段并说明各阶段的换热特点。3.解释临界热绝缘直径的工程意义，并推导其表达式（假设圆管外径为d₀，保温层导热系数为λ，外表面对流换热系数为h）。4.接触热阻是如何产生的？工程中可通过哪些措施减小接触热阻？5.比较导热、对流、辐射三种传热方式的异同点（从传递机理、依赖条件、基本定律等方面分析）。四、计算题（共30分）1.（8分）一无限大平壁厚度δ=0.3m，导热系数λ=1.5W/(m·K)，两侧表面温度分别为t₁=300℃、t₂=50℃。试求：（1）平壁的导热热流密度q；（2）平壁内距离左侧表面x=0.1m处的温度t(x)。2.（8分）外径d₀=50mm的钢管外敷设保温层，保温材料导热系数λ=0.1W/(m·K)，钢管外表面温度t₀=150℃，环境温度t∞=20℃，保温层外表面与环境的对流换热系数h=10W/(m²·K)。求：（1）临界热绝缘直径d_cr；（2）若保温层外径d=60mm，判断此时增加保温层厚度是否会减少散热量（需说明依据）。3.（7分）一矩形截面直肋，肋高H=0.1m，肋厚δ=2mm，导热系数λ=100W/(m·K)，肋基温度t_b=200℃，环境温度t∞=25℃，表面对流换热系数h=50W/(m²·K)。假设肋端绝热，求：（1）肋片的温度分布表达式；（2）肋片的实际散热量Φ。4.（7分）两平行大平壁（可视为无限大），表面1的发射率ε₁=0.8，温度T₁=800K；表面2的发射率ε₂=0.6，温度T₂=500K。两表面间为真空，忽略其他物体的辐射。求两表面间的辐射换热量q_r（单位：W/m²）。答案一、选择题1.D2.B3.D4.C5.A6.A7.A8.A9.B10.B二、填空题1.温度梯度2.Nu=hL/λ；流体边界层中对流换热与导热的相对强弱3.Gr·Pr（或Ra）；10⁹4.E_b=σT⁴；斯蒂芬-玻尔兹曼；5.67×10⁻⁸W/(m²·K⁴)5.核态；过渡；壁面温度急剧升高（烧干）6.表面粗糙度；接触压力；中间介质导热系数7.增大换热面积；高度（或长厚比）8.Bi≤0.1；温度梯度9.表面1发射的辐射能中直接投射到表面2的比例；0≤X≤110.增大换热面积；提高换热系数；减小导热热阻三、简答题1.区别：-定义：Bi=hL/λ_s（λ_s为固体导热系数），Nu=hL/λ_f（λ_f为流体导热系数）；-物理意义：Bi反映固体内部导热热阻与表面对流热阻的相对大小，Nu反映流体边界层中对流换热与流体导热的相对强弱；-应用场景：Bi用于判断是否可忽略固体内部温度梯度（集总参数法），Nu用于对流换热系数的实验关联式计算。2.曲线分为四段：-自然对流沸腾（A-B）：壁面过热度Δt小（Δt<5℃），气泡少，换热以自然对流为主，q随Δt缓慢增加；-核态沸腾（B-C）：Δt=5~25℃，大量气泡提供、脱离，扰动剧烈，q随Δt急剧增加，C点为临界热流密度q_max；-过渡沸腾（C-D）：Δt>25℃，气泡汇集成不稳定气膜，换热减弱，q随Δt增加而下降；-膜态沸腾（D-E）：Δt很大，气膜稳定，换热以辐射为主，q随Δt再次增加。3.工程意义：当保温层外径小于临界直径时，增加保温层厚度反而会增大散热量（因外表面面积增大超过热阻增加的影响），因此需根据临界直径选择合理的保温层厚度。推导：总热阻R=ln(d/d₀)/(2πλ)+1/(πdh)，令dR/dd=0，解得d_cr=2λ/h。4.产生原因：接触面微观不平，存在间隙，间隙内流体（如空气）导热系数远小于固体，导致额外热阻。减小措施：提高表面加工精度（降低粗糙度）；增加接触压力；在接触面涂导热脂或软金属（如银、铜）；抽真空减少间隙内气体导热。5.异同点：-传递机理：导热是分子热运动传递能量；对流是流体宏观运动与分子导热的联合作用；辐射是电磁波传递能量。-依赖条件：导热需物体直接接触且存在温度梯度；对流需流体流动和温度梯度；辐射无需介质，通过电磁波传递。-基本定律：导热遵循傅里叶定律（q=-λ∇t）；对流遵循牛顿冷却公式（q=hΔt）；辐射遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律（E=εσT⁴）和基尔霍夫定律（ε=α）。四、计算题1.（1）q=λ(t₁-t₂)/δ=1.5×(300-50)/0.3=1250W/m²；（2）t(x)=t₁-qx/λ=300-1250×0.1/1.5≈216.67℃。2.（1）d_cr=2λ/h=2×0.1/10=0.02m=20mm（注意：d_cr=2λ/h，单位m）；（2）当前d=60mm>d_cr=20mm，此时增加保温层厚度会使总热阻增大，散热量减少（因d>d_cr后，保温层热阻随厚度增加的速率超过外表面面积增大的影响）。3.（1）肋片的无量纲温度θ/θ_b=cosh[m(H-x)]/cosh(mH)，其中m=√(2h/(λδ))=√(2×50/(100×0.002))=√(500)=22.36m⁻¹；（2）Φ=√(2hλδ)θ_btanh(mH)=√(2×50×100×0.002)×(200-25)×tanh(22.36×0.1)≈√20×175×tanh(2.236)≈