2025年细选传热学试题库及参考答案

2025年细选传热学试题库及参考答案一、选择题（每题2分，共20分）1.下列关于热传递的描述中，正确的是（）A.导热只能在固体中发生B.对流换热的本质是导热与流体宏观运动的联合作用C.黑体的辐射力与温度的三次方成正比D.热辐射不需要介质即可传递答案：B、D（解析：导热可在固、液、气中发生；黑体辐射力与温度四次方成正比；对流换热需流体宏观运动携带热量，本质是导热与流动的结合；热辐射通过电磁波传递，无需介质）2.平壁稳态导热时，若材料热导率随温度升高而增大，则温度分布曲线为（）A.直线B.上凸曲线（温度梯度随厚度增加而减小）C.下凹曲线（温度梯度随厚度增加而增大）D.无法确定答案：C（解析：热导率λ随温度t升高而增大，稳态时热流密度q=λ(t)·dt/dx=常数，t沿壁厚x增加而降低，故λ减小，为保持q不变，dt/dx需增大，温度分布下凹）3.下列因素中，对对流换热系数h影响最小的是（）A.流体流速B.流体相变（如沸腾）C.换热面粗糙度D.换热面颜色答案：D（解析：颜色主要影响辐射换热，对流换热系数与流体物性、流速、相变、表面结构（如粗糙度）相关）4.某物体非稳态导热时，Bi数（毕渥数）远小于0.1，此时可采用集总参数法，其核心假设是（）A.物体内部导热热阻远大于表面对流热阻B.物体内部温度分布均匀C.物体与环境的换热为稳态D.物体的热容量可以忽略答案：B（解析：Bi=hL/λ，Bi<<0.1时，内部导热热阻远小于表面对流热阻，物体内部温差可忽略，温度分布均匀）5.两平行大平壁（面积均为A，发射率分别为ε₁、ε₂）之间的辐射换热量计算中，系统发射率εₛ的表达式为（）A.ε₁ε₂/(ε₁+ε₂-ε₁ε₂)B.(ε₁+ε₂)/2C.1/(1/ε₁+1/ε₂-1)D.ε₁ε₂答案：A（解析：两平行大平壁间辐射换热的系统发射率εₛ=1/(1/ε₁+1/ε₂-1)=ε₁ε₂/(ε₁+ε₂-ε₁ε₂)）6.逆流换热器与并流换热器相比，相同进出口温度下，对数平均温差（Δtₘ）的关系为（）A.逆流Δtₘ>并流ΔtₘB.逆流Δtₘ<并流ΔtₘC.两者相等D.取决于流体热容比答案：A（解析：逆流时冷热流体的温度变化方向相反，Δt的最大值与最小值差距较小，对数平均温差更大）7.肋片强化传热的必要条件是（）A.肋片材料的热导率足够大B.肋片表面的对流换热系数h>0C.肋片的效率η_f>0.5D.肋片的热阻小于原表面的热阻答案：D（解析：添加肋片后，总热阻应降低，即1/(hA₀+hA_fη_f)<1/(hA₀)，需hA_fη_f>0，本质是肋片的热阻小于原表面的扩展部分）8.大容器饱和沸腾中，核态沸腾阶段的主要特征是（）A.加热面温度远高于饱和温度，气泡提供速率极快，换热系数达到峰值B.加热面温度接近饱和温度，仅个别气泡提供，换热系数较低C.气泡在加热面大量提供并合并成气膜，换热系数急剧下降D.气膜稳定，热量通过膜层导热传递，换热系数随温度升高缓慢增加答案：A（解析：核态沸腾时，加热面存在大量汽化核心，气泡提供与脱离频繁，扰动剧烈，换热系数最高）9.非稳态导热的傅里叶数Fo（=aτ/L²）反映了（）A.导热时间与温度扩散能力的相对大小B.导热热阻与对流热阻的相对大小C.物体内部温度分布的均匀程度D.热辐射与对流换热的相对强度答案：A（解析：Fo=τ/(L²/a)，a为热扩散率，表征温度扩散能力，Fo越大，导热时间越长，温度扩散越充分）10.下列关于热边界层的描述中，错误的是（）A.热边界层厚度δ_t与流动边界层厚度δ的比值与普朗特数Pr有关B.层流边界层中，热量传递以导热为主C.湍流边界层中，热量传递以湍流脉动为主，导热可忽略D.热边界层外的流体可视为等温流动答案：C（解析：湍流边界层中，湍流核心区以脉动传递为主，但近壁处仍存在层流底层，导热不可忽略）二、简答题（每题8分，共40分）1.简述傅里叶定律的矢量性及其适用条件。答：傅里叶定律表达式为q=-λgradt，其中负号表示热流方向与温度梯度方向相反（矢量性）。适用条件：①连续介质；②各向同性材料（若各向异性，热导率为张量）；③无内热源或内热源已单独考虑；④稳态或非稳态导热（定律本身适用于任意时刻的导热过程）。2.自然对流与强制对流的主要区别是什么？各自的关键影响因素有哪些？答：区别：自然对流由流体内部温差引起密度差，产生浮升力驱动流动；强制对流由外力（泵、风机）驱动流动。关键因素：自然对流的影响因素为流体与壁面的温差（Δt）、流体物性（β、ν、λ）、重力加速度（g）及换热面的形状与方位；强制对流的影响因素为流体流速（u）、物性（ν、λ、Pr）、换热面的几何特征（如管径、板长）及流动状态（层流/湍流）。3.灰体假设在辐射换热计算中有何意义？其简化作用体现在哪些方面？答：灰体指发射率ε和吸收率α与波长无关（ε=α）的物体。意义：实际物体的辐射特性（ε、α）随波长变化，直接计算复杂；灰体假设将实际物体简化为ε=常数且ε=α的理想模型，大幅降低计算复杂度。简化作用：①无需考虑光谱特性，只需已知ε即可计算发射力和吸收率；②基尔霍夫定律（ε=α）成立，可通过测量发射率获取吸收率；③多物体辐射换热时，系统发射率仅与各表面ε相关，无需分波段计算。4.大容器饱和沸腾可分为哪几个阶段？各阶段的换热特点是什么？答：分为四个阶段：①自然对流沸腾（过热度Δt<5℃）：加热面温度略高于饱和温度，流体以自然对流为主，气泡极少，换热系数低；②核态沸腾（Δt=5~25℃）：加热面存在大量汽化核心，气泡提供、脱离频繁，流体扰动剧烈，换热系数随Δt升高迅速增大，达到峰值；③过渡沸腾（Δt=25~120℃）：气泡提供速率超过脱离速率，部分区域形成不稳定气膜，换热系数因气膜导热热阻增大而下降；④膜态沸腾（Δt>120℃）：加热面被稳定气膜覆盖，热量通过气膜导热传递，换热系数随Δt升高缓慢增加（因气膜温度升高，辐射换热逐渐增强）。5.非稳态导热中，Bi数和Fo数的物理意义是什么？如何影响物体的温度分布？答：Bi数（Bi=hL/λ）：表面对流热阻与内部导热热阻的比值。Bi越大，表面热阻越小，内部热阻越大，物体内部温差越显著；Bi越小，内部温差越小，趋近于集总参数法的均匀温度分布。Fo数（Fo=aτ/L²）：导热时间与温度扩散能力的无量纲时间。Fo越大，导热时间越长，温度扩散越充分，物体内部温度分布越接近稳态。当Fo>0.2时，非稳态导热的初始条件影响消失，温度分布仅与Bi和空间位置相关。三、计算题（每题12分，共60分）1.一多层平壁由三层材料组成，厚度分别为δ₁=0.05m（λ₁=50W/(m·K)）、δ₂=0.1m（λ₂=0.1W/(m·K)）、δ₃=0.03m（λ₃=1.5W/(m·K)）。已知平壁左侧温度t₁=300℃，右侧温度t₄=30℃，求：（1）通过平壁的热流密度q；（2）各层界面温度t₂、t₃。解：（1）总热阻R=δ₁/λ₁+δ₂/λ₂+δ₃/λ₃=0.05/50+0.1/0.1+0.03/1.5=0.001+1+0.02=1.021(m²·K)/W热流密度q=(t₁-t₄)/R=(300-30)/1.021≈264.45W/m²（2）t₂=t₁-q·δ₁/λ₁=300-264.45×0.05/50≈300-0.264≈299.74℃t₃=t₄+q·δ₃/λ₃=30+264.45×0.03/1.5≈30+5.29≈35.29℃2.一矩形直肋（长度l=0.1m，厚度δ=0.002m，高度H=0.05m），材料热导率λ=120W/(m·K)，肋基温度t₀=150℃，周围流体温度t_f=20℃，对流换热系数h=50W/(m²·K)。求：（1）肋片的效率η_f；（2）肋片的散热量Φ。解：（1）肋片的周长P=2(l+δ)≈2×0.1=0.2m（δ<<l，可忽略δ），截面积A_c=lδ=0.1×0.002=0.0002m²修正高度H’=H+δ/2≈0.05+0.001=0.051m参数m=√(hP/(λA_c))=√(50×0.2/(120×0.0002))=√(10/0.024)=√416.67≈20.41m⁻¹肋片效率η_f=tanh(mH’)/(mH’)=tanh(20.41×0.051)/(20.41×0.051)=tanh(1.041)/1.041≈0.783/1.041≈0.752（75.2%）（2）肋片表面积A_f=2(lH+δH)≈2×0.1×0.05=0.01m²（δ<<l，可简化为A_f≈2lH）散热量Φ=η_f·h·A_f·(t₀-t_f)=0.752×50×0.01×(150-20)=0.752×50×0.01×130≈48.88W3.某逆流换热器中，热水从90℃冷却到50℃，流量m₁=0.5kg/s（比热容c₁=4180J/(kg·K)）；冷水从20℃加热到60℃，流量m₂=0.6kg/s（c₂=4180J/(kg·K)）。求：（1）换热器的换热量Q；（2）对数平均温差Δtₘ。解：（1）热水放热量Q=m₁c₁(t₁’-t₁’’)=0.5×4180×(90-50)=0.5×4180×40=83600W冷水吸热量Q=m₂c₂(t₂’’-t₂’)=0.6×4180×(60-20)=0.6×4180×40=100320W（取较小值，实际Q=83600W，说明冷水未完全加热，可能题目假设平衡，此处按热水计算）（2）逆流时，Δt₁=t₁’-t₂’’=90-60=30℃，Δt₂=t₁’’-t₂’=50-20=30℃Δtₘ=(Δt₁-Δt₂)/ln(Δt₁/Δt₂)=0/ln(1)=30℃（因Δt₁=Δt₂，对数平均温差等于算术平均）4.一铜球（直径d=0.02m，密度ρ=8900kg/m³，比热容c=385J/(kg·K)，热导率λ=400W/(m·K)）初始温度t₀=200℃，突然放入t_f=20℃的油中冷却，对流换热系数h=500W/(m²·K)。求：（1）判断是否可用集总参数法；（2）冷却至80℃所需时间τ。解：（1）特征长度L=d/6=0.02/6≈0.00333mBi=hL/λ=500×0.00333/400≈0.00416<<0.1，可用集总参数法（2）时间常数τ_c=ρVc/(hA)=ρ(d³/6)c/(hπd²/4)=ρdc/(6h×(4/π))=ρdc/(24h/π)（简化为τ_c=ρcL/h，L=d/6）τ_c=ρcL/h=8900×385×0.00333/500≈8900×385×0.00000666≈8900×0.00256≈22.78s由集总参数法公式：(t-t_f)/(t₀-t_f)=exp(-τ/τ_c)(80-20)/(200-20)=60/180=1/3=exp(-τ/22.78)取自然对数：ln(1/3)=-τ/22.78→τ=22.78×ln3≈22.78×1.0986≈25.03s5.两平行大平壁（面积A=2m²），温度分别为T₁=500K、T₂=300K，发射率ε₁=0.8、ε₂=0.6。求：（1）两平壁间的辐射换热量Φ；（2）若在中间插入一发射率ε₃=0.1的遮热板，换热量变为多少？解：（1）系统发射率εₛ=1/(1/ε₁+1/ε₂-1)=1/(1/0.8+1/0.6-1)=1/(1.25+1.6667-1)=1/1.9167≈0.521辐射换热量Φ=εₛ·σ·A·(T₁⁴-T₂⁴)=0.521×5.67×10⁻⁸×2×(500⁴-300⁴)计算T₁⁴=500⁴=6.25×10¹⁰，T₂⁴=8.1×10⁹，差值=5.44×10¹⁰Φ=0.521×5.67×10⁻⁸×2×5.44×10¹⁰≈0.521×5.67×2×5.44×10²≈0.521×61.8≈32.2kW（2）插入遮热板后，总热阻为两个界面热阻之和：R=1/(ε₁σA)+1/(ε₃σA)+1/(ε₃σA)+1/(ε₂σA)=σA[1/ε₁+2/ε₃+1/ε₂]⁻¹新的换热量Φ’=σA(T₁⁴-T₂⁴)/[1/ε₁+2/ε₃+1/ε₂]代入数值：1/ε₁+2/ε₃+1/ε₂=1/0.8+2/0.1+1/0.6=1.25+20+1.6667≈22.9167Φ’=5.67×10⁻⁸×2×5.44×10¹⁰/22.9167≈(6.18×10³)/22.9167≈269.7W（约为原换热量的0.84%）四、分析题（每题15分，共30分）1.比较空气自然对流、水强制对流和纯铜导热的传热能力，从传热机理和实际应用角度说明差异原因。答：传热能力通常用单位面积、单位温差下的热流量（即传热系数或热流密度）衡量。-空气自然对流：机理为流体因温差产生浮升力驱动流动，热量通过流体微团运动和分子导热传递。h较小（约5~50W/(m²·K)），因空气密度小、运动速度低，扰动弱，导热热阻大。实际应用如房间内暖气散热，依赖空气自然循环，需增大散热面积补偿h低的不足。-水强制对流：机理为泵驱动水流，湍流核心区的强烈脉动增强热量传递，h较大（约1000~10000W/(m²·K)）。水的比热容和密度大，流速高时湍流程度强，换热剧烈。实际应用如汽车水箱、电厂冷凝器，利用高h实现紧凑式换热。-纯铜导热：机理为自由电子运动传递热量，热导率λ极高（约400W/