2025年强基计划能源与动力工程专业综合测试题及解析

2025年强基计划能源与动力工程专业综合测试题及解析一、单项选择题（共10题，每题3分，共30分）1.热力学中，以下哪组参数均为状态参数？A.热量、功、温度B.内能、焓、熵C.压力、体积、热量D.比容、流量、熵2.流体在圆管中作层流流动时，其断面流速分布规律为：A.均匀分布B.对数分布C.抛物线分布D.线性分布3.下列传热方式中，必须通过介质分子热运动传递能量的是：A.热传导B.热对流C.热辐射D.以上均是4.某内燃机采用定容加热循环（奥托循环），若压缩比由8提高至10，其他参数不变，则循环热效率将：A.降低B.升高C.不变D.无法确定5.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.压力与粘性力之比D.重力与惯性力之比6.以下哪种能源不属于二次能源？A.电力B.焦炭C.天然气D.蒸汽7.对于理想气体的定温过程，其热力学能变化Δu和焓变化Δh分别为：A.Δu=0，Δh=0B.Δu>0，Δh>0C.Δu<0，Δh<0D.Δu=0，Δh≠08.强化传热时，应优先增强哪一侧的换热系数？A.换热系数较大的一侧B.换热系数较小的一侧C.两侧同时增强D.与换热系数无关9.下列动力机械中，属于容积式机械的是：A.汽轮机B.离心式水泵C.往复式压缩机D.轴流式风机10.卡诺循环的热效率仅取决于：A.工质性质B.热源与冷源温度C.循环吸热量D.循环放热量二、多项选择题（共5题，每题4分，共20分。每题至少2个正确选项，错选、漏选均不得分）1.以下属于热力学第一定律表达式的有：A.ΔU=Q+WB.q=Δh+ω²/2+gzC.Q=ΔU+WD.Tds=dhvdp2.影响流体流动阻力的因素包括：A.流体粘性B.管道粗糙度C.流速大小D.管道直径3.以下关于对流传热的描述正确的是：A.自然对流的驱动力是密度差B.强制对流的换热系数通常大于自然对流C.流体无相变时的对流传热系数大于相变时D.湍流流动的对流传热系数大于层流4.以下提高朗肯循环效率的措施中，可行的有：A.提高蒸汽初压B.降低蒸汽终压（背压）C.减小汽轮机内效率D.采用再热或回热技术5.新能源动力系统的典型技术包括：A.燃料电池B.锂离子电池C.压缩空气储能D.超临界二氧化碳布雷顿循环三、填空题（共8题，每空2分，共32分）1.理想气体的状态方程为________（写出表达式）。2.流体力学中，沿程阻力系数λ在层流时仅与________有关，在湍流过渡区与________和________有关。3.傅里叶定律的表达式为________，其中热导率λ的单位是________。4.内燃机的实际循环与理论循环的主要差异包括________、________和________。5.斯特林循环由两个________过程和两个________过程组成。6.强化传热的常用方法包括________、________和________（任写三种）。四、简答题（共4题，第12题每题8分，第34题每题10分，共36分）1.简述热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述，并说明二者的等价性。2.解释“临界雷诺数”的定义及其在工程中的意义。3.对比分析燃气轮机循环（布雷顿循环）与蒸汽轮机循环（朗肯循环）的工质特性、循环效率影响因素及应用场景。4.随着“双碳”目标推进，能源与动力工程领域面临哪些关键挑战？请从能量转换效率、燃料清洁化、系统灵活性三个方面展开论述。五、计算分析题（共3题，第1题12分，第2题14分，第3题16分，共42分）1.某空气压缩机将压力为0.1MPa、温度为25℃的空气压缩至0.8MPa。假设压缩过程为绝热过程（κ=1.4，空气气体常数R=0.287kJ/(kg·K)），求：（1）压缩终了温度；（2）单位质量空气的压缩功（提示：绝热过程功的公式为w=(p1v1p2v2)/(κ1)）。2.一逆流式换热器用于加热水，热水进口温度90℃，出口温度50℃；冷水进口温度20℃，出口温度60℃。已知总传热系数K=300W/(m²·K)，换热量Q=120kW，求：（1）对数平均温差ΔT_m；（2）所需换热面积A（提示：Q=KAΔT_m）。3.某四冲程汽油机采用定容加热循环（奥托循环），压缩比ε=10，初始状态p1=0.1MPa、T1=300K，加热量q1=800kJ/kg（空气κ=1.4，c_v=0.717kJ/(kg·K)）。求：（1）循环各状态点的温度和压力；（2）循环热效率η_t；（3）若实际循环中存在传热损失和流动阻力，分析对热效率的影响。参考答案及解析一、单项选择题1.B解析：状态参数仅与系统状态有关，与过程无关。内能（u）、焓（h）、熵（s）均为状态参数；热量（Q）、功（W）为过程量。2.C解析：层流流动时，圆管断面流速分布为抛物线型，最大流速为平均流速的2倍。3.A解析：热传导通过介质分子热运动传递，热对流需流体宏观运动，热辐射通过电磁波传递（无需介质）。4.B解析：奥托循环热效率η_t=11/ε^(κ1)，压缩比ε增大，η_t升高。5.A解析：雷诺数Re=ρvd/μ=惯性力/粘性力，用于判断流动状态（层流/湍流）。6.C解析：二次能源是一次能源加工转换的产物（如电力、焦炭、蒸汽），天然气是一次能源。7.A解析：理想气体的热力学能和焓仅与温度有关，定温过程ΔT=0，故Δu=0、Δh=0。8.B解析：传热热阻主要由换热系数小的一侧决定，增强该侧可显著降低总热阻。9.C解析：容积式机械通过改变工作容积实现能量转换（如往复式压缩机），汽轮机、风机为叶轮式机械。10.B解析：卡诺效率η_c=1T_L/T_H，仅取决于热源温度T_H和冷源温度T_L。二、多项选择题1.BC解析：热力学第一定律核心是能量守恒，Q=ΔU+W（闭口系）或q=Δh+ω²/2+gz（开口系稳定流动）。A选项符号错误（W应为外界对系统做功），D为热力学第二定律表达式。2.ABCD解析：流动阻力包括沿程阻力和局部阻力，与流体粘性（μ）、管道粗糙度（ε）、流速（v）、管径（d）等相关。3.ABD解析：相变时（如沸腾、凝结）换热系数远大于无相变，故C错误。4.ABD解析：提高初压、降低背压、采用再热/回热可提高朗肯效率；减小汽轮机内效率会降低实际功，降低效率。5.ABCD解析：新能源动力系统涵盖电储能（锂电池）、化学储能（燃料电池）、物理储能（压缩空气）及新型循环（超临界CO₂布雷顿循环）。三、填空题1.pV=mRT或p=ρRT2.雷诺数Re；雷诺数Re；相对粗糙度ε/d3.q=λ(∂T/∂x)；W/(m·K)4.工质变化；传热损失；流动阻力损失（或燃烧非瞬时性）5.等温；等容6.扩展传热面积；增强流体扰动；改变流体物性（或采用相变传热等）四、简答题1.克劳修斯表述：“不可能将热量从低温物体传至高温物体而不引起其他变化”；开尔文表述：“不可能从单一热源取热并使之完全变为功而不引起其他变化”。二者等价性可通过反证法证明：若克劳修斯表述不成立（热量自发从低温传至高温），则可与热机结合构成从单一热源取热做功的装置，违反开尔文表述；反之亦然。2.临界雷诺数是判断流体流动状态（层流/湍流）的阈值，圆管流动中临界雷诺数Re_c≈2300。工程中通过比较实际Re与Re_c，确定流动状态：Re<Re_c为层流，流动稳定、阻力小；Re>Re_c为湍流，流动紊乱、阻力大。据此设计管道尺寸、流速及阻力计算模型。3.（1）工质特性：布雷顿循环工质为燃气（可压缩，高温高压）；朗肯循环工质为水蒸气（相变，低压低温侧可能含湿）。（2）效率影响因素：布雷顿循环效率η=11/π^((κ1)/κ)（π为压比）；朗肯循环效率与初参数（p1、T1）、背压p2及再热/回热有关。（3）应用场景：燃气轮机用于航空、分布式发电（启停快、功率密度高）；蒸汽轮机用于大型电站（效率高、适合低品位热能）。4.（1）能量转换效率：传统化石能源转换存在“卡诺限制”，需开发新型循环（如超临界CO₂循环）、多能互补系统（如光热光伏联合发电）以突破效率瓶颈。（2）燃料清洁化：需解决氢能储运（高压/低温成本高）、生物质能杂质脱除（腐蚀设备）、碳捕集与封存（CCUS）能耗高等问题。（3）系统灵活性：可再生能源间歇性要求动力系统具备快速变负荷能力（如燃气轮机快速启停、储能系统响应速度），需优化控制策略并发展虚拟电厂等智能调度技术。五、计算分析题1.（1）绝热压缩终温T2=T1·(p2/p1)^((κ1)/κ)=298K·(0.8/0.1)^(0.4/1.4)=298×8^0.2857≈298×1.811≈540K（或267℃）。（2）单位质量压缩功w=(p1v1p2v2)/(κ1)=(RT1RT2)/(κ1)=R(T1T2)/(κ1)=0.287kJ/(kg·K)×(298540)K/(1.41)=0.287×(242)/0.4≈174.6kJ/kg（负号表示外界对气体做功）。2.（1）逆流温差：ΔT1=9060=30℃，ΔT2=5020=30℃；对数平均温差ΔT_m=(ΔT1ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)=0/ln(1)=30℃（当ΔT1=ΔT2时，ΔT_m=ΔT1）。（2）换热面积A=Q/(KΔT_m)=120×10³W/(300W/(m²·K)×30K)=120000/9000≈13.33m²。3.（1）状态1：p1=0.1MPa，T1=300K；状态2（压缩过程，定熵）：T2=T1·ε^(κ1)=300×10^0.4≈300×2.512≈753.6K；p2=p1·ε^κ=0.1×10^1.4≈0.1×25.12≈2.512MPa；状态3（定容加热）：q1=c_v(T3T2)→T3=T2+q1/c_v=753.6+800/0.717≈753.6+1115.8≈1869.4K；p3=p2·T3/T2=2.512×1869.4/753.6≈2.512×2.48≈6.23MPa；状态4（膨胀过程，定熵）：T4=T3/ε^(κ1)=1869.4/