2025年《传热学》试题库附答案

2025年《传热学》试题库附答案一、选择题（每题3分，共15分）1.以下现象中，主要通过导热方式传递热量的是（）A.暖气片加热室内空气B.太阳能热水器集热板吸收太阳辐射C.铁板一端加热后另一端变烫D.锅炉中高温烟气与水冷壁管的换热答案：C2.对于通过多层平壁的稳态导热，各层热阻相等时，以下说法正确的是（）A.各层温度梯度相等B.各层热流量密度相等C.总热阻等于各层热阻之和的倒数D.温度变化最大的层热导率最大答案：B3.流体外掠平板时，若流动处于湍流边界层区（Re>5×10⁵），则局部表面传热系数h_x与x的关系为（）A.h_x∝x⁻¹/²B.h_x∝x⁻¹/³C.h_x∝x⁻¹/5D.h_x与x无关答案：C4.黑体在温度T时的单色辐射力峰值对应的波长λ_max满足（）A.λ_max·T=2897.8μm·KB.λ_max·T=5.67×10⁻⁸W/(m²·K⁴)C.λ_max/T=2897.8μm/KD.λ_max=σT⁴答案：A5.大空间自然对流换热中，特征数关联式Nu=f(Gr,Pr)的适用条件是（）A.强制对流占主导B.流动处于层流状态C.浮升力与粘性力的相对大小由Gr数表征D.流体为理想气体答案：C二、填空题（每空2分，共20分）1.傅里叶定律的数学表达式为__________，其中负号表示热流方向与温度梯度方向__________。答案：q=-λ(∂t/∂n)；相反2.对流换热的牛顿冷却公式为__________，其中h的单位是__________。答案：Φ=hAΔt；W/(m²·K)3.临界热绝缘直径d_c的表达式为__________，当保温层外径小于d_c时，增加保温层厚度会__________散热量。答案：d_c=2λ/h；增大4.普朗特数Pr的物理意义是__________，其表达式为Pr=__________。答案：动量扩散能力与热量扩散能力的比值；ν/a5.两平行大平壁间的辐射换热量计算公式为Φ=__________，其中ε_s为__________。答案：(Aσ(T₁⁴-T₂⁴))/(1/ε₁+1/ε₂-1)；系统发射率三、简答题（每题8分，共32分）1.比较导热和对流两种传热方式的异同点。答案：相同点：均通过微观粒子运动传递热量；不同点：①导热发生在静止或运动的介质中，对流仅发生在流体中且伴随宏观运动；②导热的热流密度由傅里叶定律描述（q=-λ∇t），对流由牛顿冷却公式描述（q=hΔt）；③导热系数λ是材料固有属性，对流表面传热系数h与流体物性、流动状态等多因素相关。2.分析肋片效率η_f的影响因素，并说明提高肋片效率的主要措施。答案：肋片效率η_f=实际散热量/假设整个肋片温度等于基体温时的散热量，其影响因素包括：①肋片材料的热导率λ（λ越大，η_f越高）；②肋片表面传热系数h（h越小，η_f越高）；③肋片几何参数（厚度δ越大、长度l越小，η_f越高）。提高措施：选用高λ材料（如铝合金）、减小h（如降低流体流速）、设计短而厚的肋片或采用变截面肋片（如锥形肋）。3.解释膜状凝结和珠状凝结的换热机理差异，并说明工程中为何难以长期维持珠状凝结。答案：膜状凝结时，冷凝液在壁面形成连续液膜，蒸汽需通过液膜传热，液膜厚度增加会增大热阻，换热系数较低（约4500-18000W/(m²·K)）；珠状凝结时，冷凝液以液珠形式附着在壁面，液珠长大脱落后露出清洁壁面，蒸汽直接接触壁面，热阻小，换热系数可达膜状的5-10倍。工程中难以维持珠状凝结的原因：①壁面易被污染（如氧化、油膜），破坏非润湿条件；②液珠脱落时可能合并成液膜；③长期运行中表面处理层（如涂层）会失效。4.简述强化传热的主要途径，并举例说明。答案：强化传热的核心是减小总热阻R_total=1/(h₁A)+δ/(λA)+1/(h₂A)，主要途径包括：①增大换热面积A（如采用肋片管、螺纹管）；②提高表面传热系数h（如增加流体流速强化湍流，采用粗糙表面破坏边界层）；③减小导热热阻（选用高λ材料，减少壁厚）；④降低接触热阻（增加接触面压力，涂抹导热硅脂）。例如，空调冷凝器采用翅片管增大A，同时管内制冷剂高速流动提高h，实现强化传热。四、计算题（共33分）1.（8分）某平壁由两层材料组成，内层为硅酸铝（λ₁=0.12W/(m·K)，厚度δ₁=150mm），外层为聚氨酯（λ₂=0.025W/(m·K)，厚度δ₂=50mm）。已知平壁内侧温度t₁=300℃，外侧温度t₃=30℃，求：①通过平壁的热流密度q；②两层材料交界面温度t₂。解：①总热阻R=δ₁/λ₁+δ₂/λ₂=0.15/0.12+0.05/0.025=1.25+2=3.25(m²·K)/W热流密度q=(t₁-t₃)/R=(300-30)/3.25=83.08W/m²②硅酸铝层热阻R₁=δ₁/λ₁=1.25(m²·K)/Wt₂=t₁-qR₁=300-83.08×1.25=300-103.85=196.15℃答案：①83.08W/m²；②196.15℃2.（9分）20℃的变压器油以0.8m/s的流速外掠一块长1.2m、宽0.5m的平板，平板表面温度维持80℃。已知变压器油物性：ν=3×10⁻⁶m²/s，λ=0.145W/(m·K)，Pr=400，临界雷诺数Re_c=5×10⁵。求：①判断流动状态；②全板的平均表面传热系数h_m；③平板的换热量Φ。解：①特征长度取板长L=1.2mRe_L=uL/ν=0.8×1.2/(3×10⁻⁶)=3.2×10⁵<5×10⁵，流动为层流②层流外掠平板的平均努塞尔数Nu_m=0.664Re_L^0.5Pr^1/3Nu_m=0.664×(3.2×10⁵)^0.5×400^1/3≈0.664×565.69×7.37≈2732.5h_m=Nu_m×λ/L=2732.5×0.145/1.2≈329.5W/(m²·K)③换热面积A=1.2×0.5=0.6m²Φ=h_mAΔt=329.5×0.6×(80-20)=329.5×36=11862W答案：①层流；②329.5W/(m²·K)；③11862W3.（8分）一根水平放置的蒸汽管道，外径d=100mm，长度l=5m，表面温度t_w=150℃，周围空气温度t_∞=20℃。空气物性：ν=2.6×10⁻⁵m²/s，λ=0.033W/(m·K)，Pr=0.69，β=1/T_m（T_m为定性温度，单位K）。大空间自然对流关联式：Nu=0.53(Gr·Pr)^0.25（适用于10⁶≤Gr·Pr≤10¹²）。求：①定性温度T_m；②Gr数；③表面传热系数h；④管道散热量Φ。解：①定性温度T_m=(t_w+t_∞)/2=(150+20)/2=85℃=358K②体积膨胀系数β=1/358K⁻¹特征长度L=d=0.1mΔt=t_w-t_∞=130℃Gr=gβΔtL³/ν²=9.8×(1/358)×130×0.1³/(2.6×10⁻⁵)²≈9.8×0.363×0.001/(6.76×10⁻¹⁰)≈9.8×0.363×1.48×10⁶≈5.29×10⁶Gr·Pr=5.29×10⁶×0.69≈3.65×10⁶（在10⁶~10¹²范围内）③Nu=0.53×(3.65×10⁶)^0.25≈0.53×(3650000)^0.25≈0.53×43.6≈23.1h=Nu×λ/L=23.1×0.033/0.1≈7.62W/(m²·K)④换热面积A=πdl=3.14×0.1×5=1.57m²Φ=hAΔt=7.62×1.57×130≈7.62×204.1≈1555W答案：①358K；②5.29×10⁶；③7.62W/(m²·K)；④1555W4.（8分）两个平行大平壁，面积均为A=2m²，表面发射率分别为ε₁=0.8、ε₂=0.6，温度分别为T₁=500K、T₂=300K。忽略周围环境辐射，求：①系统发射率ε_s；②两平壁间的辐射换热量Φ；③若在两平壁间插入一块发射率ε₃=0.1的遮热板，求此时的辐射换热量Φ’（假设遮热板与原平壁间距很小，可视为平行大平壁）。解：①系统发射率ε_s=1/(1/ε₁+1/ε₂-1)=1/(1/0.8+1/0.6-1)=1/(1.25+1.6667-1)=1/1.9167≈0.522②Φ=ε_sAσ(T₁⁴-T₂⁴)=0.522×2×5.67×10⁻⁸×(500⁴-300⁴)计算T₁⁴=500⁴=6.25×10¹⁰K⁴，T₂⁴=300⁴=8.1×10⁸K⁴Φ=0.522×2×5.67×10⁻⁸×(6.25×10¹⁰-8.1×10⁸)=0.522×2×5.67×10⁻⁸×6.169×10¹⁰≈0.522×2×5.67×616.9≈0.522×2×3507≈0.522×7014≈3661W③插入遮热板后，总辐射热阻为原热阻的2倍（两个界面：1-3和3-2）原热阻R=1/(ε_sAσ)=(1/ε₁+1/ε₂-1)/(Aσ)插入后热