2025年能源与动力工程考研试卷(含答案)

2025年能源与动力工程考研试卷(含答案)一、单项选择题（共10题，每题2分，共20分）1.下列参数中，不属于状态参数的是（）A.温度（T）B.熵（S）C.热量（Q）D.焓（H）2.下列传热方式中，不需要介质的是（）A.导热B.对流C.辐射D.相变传热3.当雷诺数Re＜2300时，圆管内流体流动状态为（）A.层流B.湍流C.过渡流D.无法判断4.四冲程内燃机的工作循环中，燃气膨胀做功发生在（）A.进气冲程B.压缩冲程C.做功冲程D.排气冲程5.活塞式压气机属于（）A.速度式压缩机B.容积式压缩机C.离心式压缩机D.轴流式压缩机6.某卡诺热机工作于600K和300K的两个热源之间，其效率为（）A.25%B.50%C.75%D.100%7.相同进出口温度下，逆流换热器的对数平均温差与顺流换热器相比（）A.更大B.更小C.相等D.无法确定8.理想气体的定压比热容cp与定容比热容cv的关系为（）A.cp=cvB.cp=cv+RgC.cp=cvRgD.cp=cv×Rg9.流体边界层内的流动以（）为主A.分子扩散B.湍流脉动C.粘性力D.惯性力10.朗肯循环的基本设备不包括（）A.锅炉B.汽轮机C.冷凝器D.回热器二、多项选择题（共10题，每题3分，共30分。每题至少有2个正确选项，错选、漏选均不得分）1.影响实际热机效率的主要因素包括（）A.热源温度B.冷源温度C.不可逆损失D.工质种类2.强化传热的常用方法有（）A.扩展受热面B.提高流体流速C.使用低导热系数材料D.减小污垢热阻3.流体机械能的表现形式包括（）A.动能B.势能C.压能D.内能4.内燃机排放的主要污染物有（）A.COB.NOxC.PM（颗粒物）D.O25.衡量压气机性能的主要参数有（）A.流量B.压比C.效率D.转速6.换热器热计算的常用方法包括（）A.平均温差法（LMTD）B.效能传热单元数法（εNTU）C.牛顿冷却公式法D.傅里叶定律法7.理想气体的假设条件包括（）A.分子本身无体积B.分子间无相互作用力C.分子间碰撞为弹性碰撞D.工质为实际气体8.流体边界层分离的必要条件是（）A.逆压梯度B.顺压梯度C.流体具有粘性D.流体无粘性9.提高蒸汽动力循环效率的改进措施包括（）A.采用再热循环B.采用回热循环C.降低锅炉压力D.提高冷凝器温度10.燃气轮机循环的主要组成部件有（）A.压气机B.燃烧室C.汽轮机D.涡轮三、填空题（共10空，每空2分，共20分）1.热力学第一定律的数学表达式为______（闭口系统，能量变化形式）。2.傅里叶定律的表达式为______（导热热流密度）。3.雷诺数的定义式为Re=______（用特征速度v、特征长度d、运动粘度ν表示）。4.卡诺循环的效率表达式为ηc=______（用热源温度T1和冷源温度T2表示）。5.努塞尔数Nu的物理意义是______与______的比值（填写具体传热方式）。6.伯努利方程的适用条件是______、______、不可压缩流体。7.内燃机的压缩比ε定义为______与______的比值（填写气缸容积状态）。四、简答题（共5题，第13题每题8分，第45题每题10分，共44分）1.（封闭型）简述卡诺循环的构成及实现条件。2.（封闭型）比较层流与湍流的主要差异（从速度分布、阻力特性、传热能力三方面说明）。3.（封闭型）画出朗肯循环的Ts图，并标注各过程对应的设备。4.（开放型）分析提高锅炉传热效率的可行措施（至少列出4项，并说明原理）。5.（开放型）讨论新能源动力系统（如质子交换膜燃料电池）与传统热机（如内燃机）的主要差异（从能量转换方式、效率、排放、工作条件四方面对比）。五、应用题（共5题，第12题每题12分，第34题每题15分，第5题20分，共74分）1.（计算类）某活塞式压气机绝热压缩空气，入口状态为p1=100kPa、T1=300K，出口压力p2=600kPa。假设空气为理想气体，绝热指数k=1.4，气体常数Rg=0.287kJ/(kg·K)，定压比热容cp=1.005kJ/(kg·K)。求：（1）出口温度T2；（2）单位质量空气的压缩功（忽略动能和势能变化）。2.（计算类）某逆流换热器用于加热水，热流体为油（cp=2.1kJ/(kg·K)），入口温度150℃，出口温度80℃；冷流体为水（cp=4.2kJ/(kg·K)），入口温度20℃，出口温度70℃。已知传热系数U=300W/(m²·K)，求：（1）热流体和冷流体的质量流量比；（2）换热器的传热面积（保留2位小数）。3.（分析类）某汽油机运行时，过量空气系数α=0.8（浓混合气），分析其对燃烧效率和排放的影响（需结合燃烧化学反应式说明CO、HC、NOx的生成趋势）。4.（分析类）比较顺流和逆流换热器的优缺点（从对数平均温差、结构布置、流体最高温度限制三方面展开）。5.（综合类）某燃气轮机循环采用简单布雷顿循环，压气机入口空气参数为p1=100kPa、T1=300K，压比π=10，燃烧室出口温度T3=1500K。假设各部件绝热效率均为100%，空气为理想气体（k=1.4，cp=1.005kJ/(kg·K)）。求：（1）压气机出口温度T2；（2）涡轮出口温度T4；（3）循环净功w_net；（4）循环热效率η；（5）提出1项提高该循环效率的改进措施并说明原理。参考答案一、单项选择题1.C2.C3.A4.C5.B6.B7.A8.B9.C10.D二、多项选择题1.ABC2.ABD3.ABC4.ABC5.ABC6.AB7.ABC8.AC9.AB10.ABD三、填空题1.ΔU=QW（或Q=ΔU+W）2.q=λ(dT/dx)（λ为导热系数，负号表示热流方向与温度梯度相反）3.vd/ν4.1T2/T1（T1为高温热源温度，T2为低温热源温度）5.对流换热热阻；导热热阻（或“对流换热强度；纯导热强度”）6.定常流动；无粘性（或“理想流体”）7.气缸总容积（Va）；压缩容积（Vc，或燃烧室容积）四、简答题1.卡诺循环由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程构成：①等温吸热（高温热源T1，工质等温膨胀）；②绝热膨胀（温度降至T2）；③等温放热（低温热源T2，工质等温压缩）；④绝热压缩（温度升回T1）。实现条件：①所有过程可逆；②只有两个恒温热源；③工质为理想气体（或可实现可逆等温/绝热过程的物质）。2.①速度分布：层流呈抛物线型（管中心速度最大），湍流呈对数型（核心区速度分布较均匀）；②阻力特性：层流阻力与流速一次方成正比（沿程阻力系数λ=64/Re），湍流阻力与流速1.75~2次方成正比（λ与Re和管壁粗糙度相关）；③传热能力：湍流因流体微团混合剧烈，对流换热系数远高于层流。3.朗肯循环Ts图包含4个过程：①1→2（锅炉中定压吸热，液态水变为过热蒸汽）；②2→3（汽轮机中绝热膨胀做功）；③3→4（冷凝器中定压放热，蒸汽变为饱和水）；④4→1（给水泵中绝热压缩，水升压回锅炉）。设备对应：1→2（锅炉）、2→3（汽轮机）、3→4（冷凝器）、4→1（给水泵）。4.措施：①增加受热面（如采用鳍片管），增大传热面积A；②提高烟气流速（增强湍流度），减小对流热阻1/(hA)；③定期清理受热面结渣/积灰，降低污垢热阻Rf；④采用高效传热工质（如相变材料），利用潜热提高单位面积传热量；⑤优化燃烧组织（如分级燃烧），提高火焰温度，增大平均温差ΔTm。5.差异：①能量转换方式：燃料电池为电化学直接发电（化学能→电能），热机为热功转换（化学能→热能→机械能→电能）；②效率：燃料电池效率（40%~60%）高于内燃机（20%~40%），无卡诺循环限制；③排放：燃料电池仅排放水，热机排放CO、NOx、HC等；④工作条件：燃料电池需稳定燃料供应（H2/甲醇）和适宜温度（如PEMFC在80℃左右），热机可使用液态烃燃料，适应宽温度范围。五、应用题1.（1）绝热压缩过程满足T2=T1(π)^[(k1)/k]，其中π=p2/p1=6。代入得T2=300×6^(0.4/1.4)=300×6^0.2857≈300×1.668=500.4K。（2）单位质量压缩功w_c=cp(T2T1)=1.005×(500.4300)=1.005×200.4≈201.4kJ/kg（绝热过程轴功等于焓变）。2.（1）热平衡：q_m1cp1(T1inT1out)=q_m2cp2(T2outT2in)，代入数据得q_m1/q_m2=[cp2(T2outT2in)]/[cp1(T1inT1out)]=[4.2×(7020)]/[2.1×(15080)]=(4.2×50)/(2.1×70)=210/147=1.428≈1.43。（2）逆流ΔT1=15070=80℃，ΔT2=8020=60℃，对数平均温差ΔTm=(ΔT1ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)=(8060)/ln(80/60)=20/0.2877≈69.5℃。传热量Q=q_m2cp2ΔT2=q_m1×(1/1.43)×4.2×50（或直接用T1侧计算Q=q_m1×2.1×70）。假设q_m1=1kg/s，则Q=1×2.1×70=147kW=147000W。传热面积A=Q/(UΔTm)=147000/(300×69.5)≈147000/20850≈7.05m²。3.α=0.8表示混合气过浓（空气不足），燃烧反应式：C8H18+12.5O2→8CO2+9H2O（理论）；实际因O2不足，部分生成CO：C8H18+10O2→5CO2+3CO+9H2O。影响：①燃烧效率降低（未燃HC增加）；②CO排放升高（O2不足，不完全燃烧）；③HC排放升高（未燃燃料）；④NOx排放降低（燃烧温度因不完全燃烧降低，抑制N2和O2反应）。4.①对数平均温差：逆流ΔTm更大（相同进出口温度下），传热效率更高；②结构布置：顺流换热器冷热流体同向流动，易布置但末端温差小；逆流需反向流动，可能增加管道复杂度；③流体最高温度限制：顺流中冷流体出口温度低于热流体出口温度，逆流中冷流体出口温度可接近热流体入口温度（需避免材料超温）。5.（1）压气机出口温度T2=T1×π^[(k1)/k]=300×10^0.2857≈300×1.930=579K。（2）涡轮入口T3=1500K，膨胀过程T4=T3×(1/π)^[(k1)/k]=1500×(1/10)^0.2857≈1500×0.518=777K。（3）压气机功w_c=cp(T2T1)=1.005×(579300)=280.4kJ/