2025年强基计划能源与动力工程专业综合知识试题及答案

2025年强基计划能源与动力工程专业综合知识试题及答案一、单项选择题（共15题，每题2分，共30分）1.关于热力学第二定律的表述，以下正确的是（）A.热量不能从低温物体传到高温物体B.不可能从单一热源吸热并全部转化为功C.不可逆过程的熵变一定大于零D.孤立系统的熵永不减少2.理想气体在绝热自由膨胀过程中，以下参数变化正确的是（）A.温度不变，内能不变B.温度升高，内能增加C.温度降低，内能减少D.温度不变，内能增加3.流体在圆管中作层流流动时，其速度分布为（）A.均匀分布B.抛物线分布C.对数分布D.线性分布4.以下关于传热基本方式的描述，错误的是（）A.热传导不需要介质B.热对流仅发生在流体中C.热辐射可在真空中传递D.对流换热是导热与流动的综合效应5.朗肯循环中，提高蒸汽初温对循环效率的影响是（）A.无影响B.降低效率C.提高效率D.先提高后降低6.内燃机四冲程工作循环中，做功冲程结束时，气缸内压力与温度的变化趋势是（）A.压力升高，温度降低B.压力降低，温度升高C.压力和温度均降低D.压力和温度均升高7.卡诺循环的热效率仅取决于（）A.工质种类B.热源与冷源温度C.循环的功量D.循环的吸热量8.雷诺数Re的物理意义是（）A.惯性力与粘性力之比B.粘性力与惯性力之比C.压力与惯性力之比D.重力与粘性力之比9.以下哪种能源属于二次能源？（）A.煤炭B.天然气C.电能D.太阳能10.对于管内强制对流换热，努塞尔数Nu的定义式为（）A.Nu=αL/λB.Nu=Re·PrC.Nu=Gr·PrD.Nu=ρuL/μ11.燃气轮机循环（布雷顿循环）的理想循环效率与（）相关A.压比B.初温C.流量D.工质比热容12.离心泵的扬程是指（）A.泵能提升的液体高度B.单位质量液体通过泵获得的能量C.泵的最大流量D.泵的轴功率13.以下哪项不是提高锅炉热效率的措施？（）A.减少排烟热损失B.降低不完全燃烧损失C.增加过量空气系数D.加强炉墙保温14.制冷剂在蒸气压缩制冷循环中，从蒸发器到压缩机的状态是（）A.高压液体B.低压液体C.高压蒸气D.低压蒸气15.斯特林循环的特点是（）A.定压加热与定压放热B.定容加热与定容放热C.等温加热与等温放热D.绝热加热与绝热放热二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分，少选得1分，错选不得分）1.以下属于可再生能源的是（）A.风能B.核能C.地热能D.生物质能2.影响内燃机热效率的主要因素包括（）A.压缩比B.燃料热值C.过量空气系数D.点火提前角3.强化传热的方法有（）A.增加换热面积B.提高流体流速C.使用导热系数更高的材料D.降低流体温度4.以下关于热力学第一定律的表述，正确的是（）A.能量守恒与转换定律在热现象中的体现B.适用于任何过程（可逆或不可逆）C.系统内能变化等于外界对系统做功与传热之和D.仅适用于理想气体5.流体力学中，伯努利方程的适用条件包括（）A.理想流体B.稳定流动C.不可压缩流体D.沿流线三、填空题（共10题，每题2分，共20分）1.热力学中，熵是衡量系统________程度的状态参数。2.流体的粘性系数随温度升高，液体的粘性________（增大/减小），气体的粘性________（增大/减小）。3.傅里叶定律的数学表达式为________。4.卡诺定理指出，在相同温度的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率________（大于/等于/小于）不可逆循环。5.内燃机的理论循环中，汽油机通常简化为________循环，柴油机通常简化为________循环。6.朗肯循环的四个基本过程是：定压吸热、________、定压放热、________。7.雷诺数Re=2000时，流体流动状态为________；Re=5000时为________。8.传热过程的热阻由________、________和间壁导热热阻组成。9.燃气轮机的三大核心部件是压气机、________和________。10.对于饱和蒸汽凝结换热，________（膜状凝结/珠状凝结）的换热系数更高。四、简答题（共4题，第12题每题8分，第34题每题9分，共34分）1.（封闭型）简述提高蒸汽动力循环（朗肯循环）效率的主要途径，并说明其热力学原理。2.（封闭型）比较强制对流换热与自然对流换热的异同点，各举一例工程应用。3.（开放型）分析新能源（如氢能、太阳能）在动力工程中的应用前景及面临的技术挑战。4.（开放型）结合“双碳”目标，论述能源与动力工程领域的关键技术发展方向。五、应用题（共2题，每题20分，共40分）1.（计算类）某理想朗肯循环采用水蒸气作为工质，已知：锅炉出口主蒸汽参数为p1=10MPa、t1=500℃（h1=3373.7kJ/kg，s1=6.596kJ/(kg·K)）；冷凝器压力p2=0.005MPa（饱和水焓h2'=137.8kJ/kg，饱和蒸汽焓h2''=2561.4kJ/kg，s2''=8.393kJ/(kg·K)）；汽轮机排汽为干饱和蒸汽（s2=s1）。求：（1）汽轮机出口蒸汽的焓h2；（2）循环净功w_net（汽轮机做功w_t泵功w_p，泵功w_p≈h4h3≈v(p1p2)，v为水的比体积，取v=0.001005m³/kg）；（3）循环热效率η。2.（分析类）某工厂需要设计一台管壳式换热器，用于将流量为5000kg/h的热水（入口温度90℃，出口温度40℃）与流量为8000kg/h的冷水（入口温度20℃）进行换热。已知热水的比热容为4.18kJ/(kg·℃)，冷水的比热容为4.19kJ/(kg·℃)，总传热系数K=2000W/(m²·℃)。（1）判断换热器的流动方式（顺流或逆流），并说明理由；（2）计算冷水的出口温度；（3）计算所需的换热面积（对数平均温差法）。答案及解析一、单项选择题1.D（孤立系统熵增原理）2.A（绝热自由膨胀Q=0，W=0，ΔU=0，理想气体内能仅与温度有关）3.B（层流速度分布为抛物线，中心速度为平均速度的2倍）4.A（热传导需要介质，热辐射不需要）5.C（提高初温可提高平均吸热温度，降低平均放热温度）6.C（做功冲程结束时，燃气膨胀做功，压力和温度均下降）7.B（η=1T2/T1）8.A（Re=惯性力/粘性力）9.C（二次能源是由一次能源加工转换得到的）10.A（Nu=αL/λ，反映对流换热与导热的相对强度）11.A（布雷顿循环效率η=11/π^(γ1/γ)，π为压比）12.B（扬程定义为单位质量流体获得的能量，单位为m）13.C（过量空气系数过大反而增加排烟热损失）14.D（蒸发器出口为低压低温蒸气，进入压缩机压缩）15.C（斯特林循环为等温吸热、等温放热、等容回热）二、多项选择题1.ACD（核能为不可再生能源）2.ABCD（压缩比越高，热效率越高；燃料热值影响放热量；过量空气系数影响燃烧完全程度；点火提前角影响燃烧正时）3.ABC（降低流体温度会减少温差，但不直接强化传热）4.ABC（热力学第一定律适用于任何系统和过程）5.ABCD（伯努利方程适用于理想、稳定、不可压缩、沿流线的流动）三、填空题1.无序（或混乱）2.减小；增大3.q=λ(dT/dx)（或Φ=λA(dT/dx)）4.等于5.定容加热（奥托）；混合加热（萨巴特）6.绝热膨胀（汽轮机做功）；绝热压缩（给水泵做功）7.层流；湍流（或紊流）8.对流换热热阻（高温侧）；对流换热热阻（低温侧）9.燃烧室；透平（或燃气轮机）10.珠状凝结四、简答题1.提高朗肯循环效率的主要途径及原理：（1）提高蒸汽初温：初温升高，平均吸热温度T1提高，根据η=1T2/T1（T2为平均放热温度），效率提升；同时可降低排汽湿度，减少汽轮机侵蚀。（2）提高蒸汽初压：初压升高，平均吸热温度略有提高，但需注意初压过高会导致排汽湿度增大，需配合再热循环。（3）降低排汽压力（背压）：排汽压力降低，T2降低，效率提升，但受限于环境温度（如冷凝器冷却水温度）。（4）采用再热循环：将汽轮机高压缸排出的蒸汽返回锅炉再热，提高再热后蒸汽温度，降低排汽湿度，同时提高平均吸热温度。（5）采用回热循环：抽取部分汽轮机中间压力蒸汽加热凝结水，减少低温区吸热，提高平均吸热温度。2.强制对流与自然对流的异同点及应用：相同点：均为流体与固体表面的热量传递，遵循牛顿冷却公式q=αΔT；换热系数α受流体物性、流动状态影响。不同点：驱动力：强制对流由泵、风机等外力驱动；自然对流由流体密度差（温度差引起）驱动。流动强度：强制对流流速高，α大（如10~10⁴W/(m²·℃)）；自然对流流速低，α小（如5~100W/(m²·℃)）。影响因素：强制对流主要受Re、Pr影响；自然对流受Gr、Pr影响（Gr为格拉晓夫数）。工程应用举例：强制对流如汽车散热器（风扇驱动空气流动）；自然对流如家用暖气片（空气因温差自然循环）。3.新能源在动力工程中的应用前景及挑战：前景：氢能：作为零碳燃料，可用于燃料电池（发电）、氢内燃机（替代传统燃油），适用于长距离运输、储能等场景。太阳能：光伏发电可直接供电，光热发电通过集热产生蒸汽驱动汽轮机，适合大规模集中式能源供应。其他：如地热能用于区域供暖或发电，生物质能通过气化/液化转化为燃料。挑战：氢能：制氢成本高（绿氢依赖可再生能源电解水）、储运难度大（高压/低温存储，基础设施不足）、燃料电池寿命与成本。太阳能：能量密度低（需大面积集热/发电装置）、间歇性（依赖光照，需配套储能）、材料成本（如光伏板的硅材料提纯）。共性问题：新能源与传统动力系统的兼容性（如氢能与现有内燃机的适配）、电网消纳能力（波动性电源的稳定接入）。4.“双碳”目标下能源与动力工程的关键技术方向：（1）高效清洁化石能源利用：发展超超临界燃煤发电（提高效率，降低煤耗）、碳捕集与封存（CCUS）技术（减少CO₂排放）。（2）可再生能源规模化应用：提升风电/光伏的发电效率（如高效风机叶片设计、HJT光伏电池）、开发低成本长时储能（如液流电池、压缩空气储能）。（3）氢能产业链技术：突破绿氢制备（高效电解水催化剂）、储运（固态储氢材料）、应用（氢燃料电池汽车/船舶）的关键瓶颈。（4）动力系统智能化：基于大数据与AI的能源系统优化（如微电网协调控制）、内燃机/燃气轮机的低排放燃烧技术（如HCCI均质压燃）。（5）能源梯级利用：推广总能系统（如热电联产、冷热电三联供），提高能源综合利用率（从单一发电扩展到热、冷、电多产品输出）。五、应用题1.（1）汽轮机出口蒸汽为干饱和蒸汽，s2=s1=6.596kJ/(kg·K)。查p2=0.005MPa时，s2''=8.393kJ/(kg·K)（大于s1），说明排汽为湿蒸汽，干度x=(s1s2')/(s2''s2')。但p2=0.005MPa时，饱和水的熵s2'=0.476kJ/(kg·K)（需查表，此处假设s2'=0.476），则x=(6.5960.476)/(8.3930.476)=6.12/7.917≈0.773。h2=h2'+x(h2''h2')=137.8+0.773×(2561.4137.8)=137.8+0.773×2423.6≈137.8+1873.0≈2010.8kJ/kg。（2）泵功w_p≈v(p1p2)=0.001005m³/kg×(10×10⁶Pa0.005×10⁶Pa)=0.001005×9.995×10⁶≈10045J/kg≈10.05kJ/kg。汽轮机做功w_t=h1h2=3373.72010.8≈1362.9kJ/kg。循环净功w_net=w_tw_p≈1362.910.05≈1352.85kJ/kg。（3）锅炉吸热量q1=h1h4≈h1h3（h3≈h2'=137.8kJ/kg），h4=h3+w_p=137.8+10.05≈147.85kJ/kg。q1=3373.7147.85≈3225.85kJ/kg。循环效率η=w_net/q1≈1352.85/3225.85≈41.9%。2.（1）应选择逆流流动。理由：逆流时对数平均温差更大（ΔT_m逆流>ΔT_m顺流），