传热学期末试卷及答案5套

学年第学期期末试题课程名称传热学A使用专业建筑环境与能源应用工程班级_____________________姓名________________学号__________试题得分一二三四五六七八九十总分一、基本概念（24分）1、三种基本传热方式分别为：，，。2、建立导热微分方程时所遵守的2个基本原理为和。3、导热问题的第一类边界条件是给定了导热体边界上，第二类边界条件是给定了导热体边界上，如果已知导热体边界上的和，则称为第三类边界条件。4、集总参数法的使用条件为：。5、层流边界层内的换热特点是以为主，在湍流边界层的核心区则以为主，而湍流边界层的底层以为主。（填：流体的导热，对流）6、管内对流换热入口段的局部对流换热系数比充分发展段的对流换热系数。（填：大，小），其原因在于入口段的。7、请写出牛顿冷却公式：。（已知对流换热系数为h，流体温度为t）。8、对于凝结换热，不凝性气体有利还是有害？，原因是：(1),(2)。9、请写出黑体辐射的四次方定律的表达式：。请写出表面发射率为、面积为A的表面辐射热阻：。10、遮热板是（填：强化，削弱）辐射换热的方法。表面涂层也可以强化和削弱表面的辐射换热。如果希望某表面在太阳照射下升温快，在太阳落山后保温性能好，那么它表面的涂层材料应该吸收率大，而射率小。二、简单计算（28分）图11、如图1所示，常物性，有均匀内热源，二维稳态导热，边界条件都为第3类（对流换热系数为h，流体温度为t）请用控制容积热平衡法写出节点0的差分方程。（请直接按x,y方向写出各界面的能量平衡关系，不要整理）(8分)图12、厚度为=80mm的大平壁，两表面维持t1=20℃和t2=0℃，其高温侧受热流体加热，流体的温度为t=100℃，对流换热系数为h=200W/(m2.K)。求稳态时该平壁的导热系数。(6分)3、已知太阳表面温度为5800K，求太阳辐射中最大单色辐射力对应的波长。设太阳为黑体。(6分)4、假设利用高温烟气横掠加热圆管内的水。当烟气的温度t和管壁面的温度tw都保持不变的前提下，如果让管径增大一倍，欲使换热量保持不变，那么横掠圆管的烟气的速度应如何调整？(8分)三、计算题（48分）1、一块厚度为20mm的钢板加热到500℃后，置于20℃的空气中冷却。设冷却过程中钢板两侧的平均表面传热系数均为35W/(m2.K)，钢板的导热系数为45W/(m.K)，热扩散系数为1.37510-5m2/s，求使钢板冷却到与空气相差10℃时所需的时间。（16分）2、热电厂中有一水平放置的蒸汽管道，内径为d1=100mm，壁厚d1=4mm，钢管材料的导热系数为l1=40W/(m.K)，外包厚度为d2=70mm厚的保温层，保温材料的导热系数为l2=0.05W/(m.K)。管内蒸汽温度为tf1=300℃，管内表面传热系数为h1=200W/(m2.K)，保温层外壁面复合换热表面传热系数为h2=8W/(m2.K)，周围空气的温度为t∞=20℃。试计算单位长度蒸汽管道的散热损失Fl及管道外壁面与周围环境辐射换热表面传热系数hr2。（16分）水平管外自然对流换热准则关联式，，C、n见下表：流动情况特征长度Cn适用范围GrPr圆柱外径d850.480.1251881/41/3干空气热物理性质（P=1.013×105Pa）t-℃×102-W/(mK)×106–m2/sPr102030402.512.592.672.7614.1615.0616.0016.960.7050.7030.7010.699已知一漫反射表面的单色吸收率、单色辐射强度E和外界投入辐射随波长的分布G如图所示。在某一瞬间测得其表面温度为1100K，求此时该表面的：（1）全辐射力E和黑度；（2）定向辐射强度L（单位W/(m2.Sr)）；（3）单位表面吸收的外界投入辐射。（16分）

传热学A建筑环境与能源应用工程一、基本概念（24分）1、三种基本传热方式分别为：热传导，热对流，热辐射。2、建立导热微分方程时所遵守的2个基本原理为能量守恒原理和付立叶定律。3、导热问题的第一类边界条件是给定了导热体边界上温度，第二类边界条件是给定了导热体边界上热流密度，如果已知导热体边界上的流体温度和对流换热系数，则称为第三类边界条件。4、集总参数法的使用条件为：Bi0.1。5、层流边界层内的换热特点是以流体的导热为主，在湍流边界层的核心区则以对流为主，而湍流边界层的底层以流体的导热为主。（填：流体的导热，对流）6、管内对流换热入口段的局部对流换热系数比充分发展段的对流换热系数大。（填：大，小），其原因在于入口段的边界层较薄。7、请写出牛顿冷却公式：。（已知对流换热系数为h，流体温度为t）。8、对于凝结换热，不凝性气体有利还是有害？有害，原因是：（1）不凝性气体在壁面附近形成一层气体层，阻碍了蒸汽与壁面接触，形成热阻，（2）不凝性气体使蒸汽的饱和分压降低，从而降低了其饱和温度，使壁面与蒸汽温差变小。9、请写出黑体辐射的四次方定律的表达式：。请写出表面发射率为、面积为A的表面辐射热阻：。10、遮热板是削弱（填：强化，削弱）辐射换热的方法。表面涂层也可以强化和削弱表面的辐射换热。如果希望某表面在太阳照射下升温快，在太阳落山后保温性能好，那么它表面的涂层材料应该对太阳能的吸收率大，而其自身的红外发射率小。二、简单计算（28分）图11、如图1所示，常物性，有均匀内热源，二维稳态导热，边界条件都为第3类（对流换热系数为h，流体温度为t）请用控制容积热平衡法写出节点0的差分方程。（请直接按x,y方向写出各界面的能量平衡关系，不要整理）(8分)图1解：边界节点0的控制体为3/4个完整的控制体，通过控制体各界面的能量平衡如下：2、一个厚度为=80mm的大平壁，两表面维持t1=20℃和t2=0℃，其高温侧受热流体加热，流体的温度为t=100℃，对流换热系数为h=200W/（m2.K）。求稳态时该平壁的导热系数。(6分)解：稳态时平壁的热平衡有下面的关系：所以，=W/(m.K)3、已知太阳表面温度为5800K，求太阳辐射中最大单色辐射力对应的波长。设太阳为黑体。(6分)解：由维恩定律，K.m，得：m。4、假设利用高温烟气横掠加热圆管内的水。当烟气的温度t和管壁面的温度tw都保持不变的前提下，如果让管径增大一倍，欲使换热量保持不变，那么横掠圆管的烟气的速度应如何调整？(8分)解：单位长度圆管外的换热量计算为：,当换热量保持不变，管径增大一倍时，有如下关系：=，所以，管径增大一倍后，应有：对应的Nu数：，，由于烟气的温度t和管壁面的温度tw都保持不变，，则。此外，烟气的温度t和管壁面的温度tw都保持不变时，，那么管径和烟气的流速改变前、后是相似的，则对应的Re数应相等。，，所以：，即横掠圆管的烟气的速度应减半。三、计算题（48分）1、一块厚度为20mm的钢板加热到500℃后，置于20℃的空气中冷却。设冷却过程中钢板两侧的平均表面传热系数均为35W/(m2.K)，钢板的导热系数为45W/(m.K)，热扩散系数为1.37510-5m2/s，求使钢板冷却到与空气相差10℃时所需的时间。（16分）解：该钢板导热的Bi=hδλ其能量守恒方程为：ρτ=0,t=500（4分）引入过余温度θ=t-ρcVτ=0,θ=其解为：θθ0当θ=10℃时，代入：h=35W/(m2.K)，λ=45W/(m.K)，α=1.37510-52、热电厂中有一水平放置的蒸汽管道，内径为d1=100mm，壁厚d1=4mm，钢管材料的导热系数为l1=40W/(m.K)，外包厚度为d2=70mm厚的保温层，保温材料的导热系数为l2=0.05W/(m.K)。管内蒸汽温度为tf1=300℃，管内表面传热系数为h1=200W/(m2.K)，保温层外壁面复合换热表面传热系数为h2=8W/(m2.K)，周围空气的温度为t∞=20℃。试计算单位长度蒸汽管道的散热损失Fl及管道外壁面与周围环境辐射换热表面传热系数hr2。（16分）水平管外自然对流换热准则关联式，C、n见下表：流动情况特征长度Cn适用范围GrPr圆柱外径d850.480.1251881/41/3干空气热物理性质（P=1.013×105Pa）t-℃×102-W/(mK)×106–m2/sPr102030402.512.592.672.7614.1615.0616.0016.960.7050.7030.7010.699解：这是一个通过两层圆管的传热过程。。（4分）该热量等于管外的自然对流和辐射换热的热量：，（1分）管道外侧为自然对流，特征温度为：（1分）按此温度从附录中查得空气的物性参数值：，，，体膨胀系数：，计算出：查表，得计算公式的常数：，，(2分)（3分）W/(m2·K)（3分）于是可得辐射换热表面传热系数为：W/(m2·K)（2分）已知一漫反射表面的单色吸收率、单色辐射强度E和外界投入辐射随波长的分布G如图所示。在某一瞬间测得其表面温度为1100K，求此时该表面的：（1）全辐射力E和黑度；（2）定向辐射强度L（单位W/(m2.Sr)）；（3）单位表面吸收的外界投入辐射。（16分）解：（1）=1250W/m2=83014W/m2（4分）（2分）(2)W/(m2.Sr)（5分）（3）=0.4+0.8=0.40.533103+0.80.5(3+4)1103+0.824103=1.8103+2.8103+6.4103=11103W/m2（5分）

学年第学期期末试题课程名称传热学B使用专业建筑环境与能源应用工程班级_________________姓名_____________学号试题得分一二三四五六七八九十总分一、填空题（每空1分，共25分）平壁的导热热阻为，圆筒壁的导热热阻为。与通过无限大平壁的稳态导热过程不同，对于无限长圆筒壁，其稳态导热时，不同半径处的热流密度常数，但热流量恒定的。（填：是，不是）边界层具有以下特性，即：与壁面特征长度相比边界层的厚度（填：很大，很小），边界层的流态分为和、紊流边界层分为、、三层结构，在垂直于壁面方向上的热量传递主要依靠，紊流边界层的主要热阻为。进行传热学实验时应遵守原理。在安排实验时，实验模型中的对流换热过程必须与原型中的实际对流换热过程相似：对流换热过程必须与原型是，其必须与原型相似，必须与原型相等。大容器饱和沸腾时，随着壁面过热度Δt的增加，依次出现、、过渡态和等不同沸腾阶段。黑体热辐射的揭示了黑体的单色辐射力随波长和热力学温度的变化规律，揭示了黑体的定向辐射力随方向的变化规律。为了削弱辐射换热，一般采用和。工业加热过程中，金属表面的温度逐渐升高，其颜色从暗红、鲜红、橘黄，一直变化到白炽，这种现象所遵循额原理是定律，它表明随着温度的升高，max向方向移动。二、简单计算（30分）写出图中边界节点（m,n）稳态导热时的差分方程，边界条件如图中所示，一侧绝热，另一侧为第三类边界条件。（10分）已知地球平均表面温度约为300K，求地球辐射中最大单色辐射力对应的波长。设地球为黑体。(10分)如图所示，A1、A2、A3分别为一正方体的对角线所在平面和两个侧面。请利用角系数的基本性质计算下面的角系数X1,2和X2,1（10分）三、计算题（45分）具有内热源并均匀分布的无限大平壁，壁厚为2S，平壁两表面温度恒为tw，内热源强度为qv，平壁材料的导热系数为常数，求稳态导热时平壁内的温度分布和中心温度。（15分）直径为，长度为1m的电阻丝水平地置于的静止空气中，试问在不计辐射换热的情况下它每米长度上能承受的最大散热量是多少？如果考虑辐射换热，这一最大散热量会增加还是减少？该电阻丝的熔点为。（15分） 附：(1)空气在水平圆柱体外自然对流换热的准则式 ， (2)空气的物性参数：， 有一圆柱体，如图所示，表面1温度，发射率，表面2温度，发射率，圆柱面3为绝热表面，角系数。（15分）求：（1）表面1的净辐射损失；（2）绝热面3的温度。

学年第学期期末试题答案课程名称传热学B使用专业建筑环境与能源应用工程班级_________________姓名_____________学号__________试题得分一二三四五六七八九十总分一，填空题（每空1分，共25分）平壁的导热热阻为/，圆筒壁的导热热阻为。与通过无限大平壁的稳态导热过程不同，对于无限长圆筒壁，其稳态导热时，不同半径处的热流密度不是常数，但热流量是恒定的。（填：是，不是）边界层具有以下特性，即：与壁面特征长度相比边界层的厚度很小（填：很大，很小），边界层的流态分为层流和紊流/湍流、紊流边界层分为层流底层、缓冲层、湍流核心区三层结构，在垂直于壁面方向上的热量传递主要依靠导热，紊流边界层的主要热阻为层流底层的导热热阻。进行传热学实验时应遵守相似原理。在安排实验时，实验模型中的对流换热过程必须与原型中的实际对流换热过程相似：对流换热过程必须与原型是同类物理现象，其单值性条件必须与原型相似，已定同名特征数必须与原型相等。大容器饱和沸腾时，随着壁面过热度Δt的增加，依次出现自然对流、核态/泡态沸腾、过渡态和膜态沸腾等不同沸腾阶段。黑体热辐射的普朗克定律揭示了黑体的单色辐射力随波长和热力学温度的变化规律，兰贝特定律揭示了黑体的定向辐射力随方向的变化规律。为了削弱辐射换热，一般采用低发射率的表面涂层和在表面间加设遮热板。工业加热过程中，金属表面的温度逐渐升高，其颜色从暗红、鲜红、橘黄，一直变化到白炽，这种现象所遵循额原理是维恩位移定律，它表明随着温度的升高，max向短波方向移动。二、简单计算（30分）写出图中边界节点（m,n）稳态导热时的差分方程，边界条件如图中所示，一侧绝热，另一侧为第三类边界条件。（10分）解：取控制容积如图中阴影所示，分析其能量平衡如下：已知地球平均表面温度约为300K，求地球辐射中最大单色辐射力对应的波长。设地球为黑体。(10分)解：由维恩定律，K.m，得：m。如图所示，A1、A2、A3分别为一正方体的对角线所在平面和两个侧面。请利用角系数的基本性质计算下面的角系数X1,2和X2,1（10分）解，三、计算题（45分）具有内热源并均匀分布的无限大平壁，壁厚为2S，平壁两表面温度恒为tw，内热源强度为qv，平壁材料的导热系数为常数，求稳态导热时平壁内的温度分布和中心温度。（15分）解:该平壁的导热为一维稳态导热，其导热微分方程及边界条件如下：

导热微分方程为:

边界条件为:

求解上述微分方程,得由边界条件确定积分常数:∴平壁内的温度分布:当X=0,则得平壁中心温度:直径为，长度为1m的电阻丝水平地置于的静止空气中，试问在不计辐射换热的情况下它每米长度上能承受的最大散热量是多少？如果考虑辐射换热，这一最大散热量会增加还是减少？该电阻丝的熔点为。（15分） 附：(1)空气在水平圆柱体外自然对流换热的准则式 ， (2)空气的物性参数：，解：最大散热量为相应于熔点温度下的表面换热量，其时 ℃ 考虑辐射换热后，在同样壁温下增加了辐射换热量，可承受的热负荷可大大增加。 有一圆柱体，如图所示，表面1温度，发射率，表面2温度，发射率，圆柱面3为绝热表面，角系数。（15分）求：（1）表面1的净辐射损失；（2）绝热面3的温度。解：,,,(2)∴

学年第学期期末试题课程名称传热学A使用专业建筑环境与能源应用工程18级班级_____________________姓名________________学号__________试题得分一二三四五六七八九十总分一、分析简答（56=30分）冬天室内的暖气片内流的是热水，请分析它的散热过程都包括了哪些环节。简述集总参数法的概念和应用条件。为什么管内强迫对流换热的入口段的表面传热系数比充分发展段大？请说明不凝性气体对凝结换热的影响及原因。北方深秋的清晨，低矮的灌木或草的叶子上会结霜，请问是叶子的上面还是下面结霜，为什么？二、计算题（70分）某加热炉的炉门由两层材料组成，内层材料的导热系数导热1=0.24W/(m.K)，外层厚5mm，导热系数2=0.12W/(m.K)。炉内温度为tf1=800℃，炉内介质与内层壁面的对流换热系数为hc=18W/(m2.K)，辐射换热系数为hr=220W/(m2.K)。炉外空气温度为tf2=30℃，总表面传热系数为h2=16W/(m2.K)。求：（1）稳态时如炉门外壁温度不能超过60℃，内层材料的厚度至少为多少？（2）如外层材料的耐热极限是85℃，此内层厚度可否？（18分）一厚度为0.5m的大平壁，其内具有一个强度为的内热源。在某一瞬时该平壁内的温度分布为：。求：（1）x=0和x=0.5m处的热流密度；（2）该平壁的热力学能随时间的变化率；（3）x=0和x=0.5m处的温度随时间的变化率。已知：导热系数，比热，密度。（15分）一室内暖气片的散热面积为A=3m2，表面温度为tw=50℃，它和20℃的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为h=4W/(m2·K)。试问该暖气片相当于多大功率的电暖器?(10分)4．实验测得2500K钨丝的法向单色发射率如图所示，计算其辐射力及发光效率。（17分）第4题钨丝的法向单色发射率部分黑体辐射函数T/（m.K）Fb(0-)/%9001000180019002000…5000550060000.0090.03233.9465.2256.690…63.4169.1273.81计算下图的角系数：倾斜的长平板A2和底板A1间的角系数X1,2和X2,1。（10分）

学年第学期期末试题答案课程名称传热学A使用专业建筑环境与能源应用工程18级班级_____________________姓名________________学号__________试题得分一二三四五六七八九十总分一、分析简答（56=30分）冬天室内的暖气片内流的是热水，请分析它的散热过程都包括了哪些环节。答：包括暖气片内壁和热水的对流换热，暖气片壁的导热和暖气片外壁和室内空气的自然对流换热以及低温红外辐射换热。简述集总参数法的概念和应用条件。答：忽略物体内部导热热阻的简化分析方法称为集总参数法。实质是直接运用能量守恒定律导出物体在非稳态导热过程中温度随时间的变化规律。适用条件为。为什么管内强迫对流换热的入口段的表面传热系数比充分发展段大？答：因为入口段的边界层厚度比充分发展段的薄，对流换热的边界层的导热热阻是主要热阻，到了充分发展段，边界层厚度增长并汇合于管道中心，热阻也增长到最大。因此，入口段的局部对流换热系数高于充分发展段。请说明不凝性气体对凝结换热的影响及原因。答：不凝结气体使凝结换热削弱，原因有2个：一方面，随着蒸气的凝结，不凝结气体会越来越多地汇集在换热面附近，阻碍蒸气靠近；另一方面，换热面附近的蒸汽分压力会逐渐下降，饱和温度ts降低，凝结换热温差tstw减小，这两方面的原因使凝结换热大大削弱。北方深秋的清晨，低矮的灌木或草的叶子上会结霜，请问是叶子的上面还是下面结霜，为什么？答：叶子的上面结霜。因为叶子的上面和太空间有辐射换热，太空的温度低于0℃，叶子上面失热；叶子的下面和地面进行辐射换热，地面的温度高于0℃，叶子下面得热。因此，叶子的上面的温度会低于0℃，从而更容易结霜。二、计算题（70分）某加热炉的炉门由两层材料组成，内层材料的导热系数导热1=0.24W/(m.K)，外层厚5mm，导热系数2=0.12W/(m.K)。炉内温度为tf1=800℃，炉内介质与内层壁面的对流换热系数为hc=18W/(m2.K)，辐射换热系数为hr=220W/(m2.K)。炉外空气温度为tf2=30℃，总表面传热系数为h2=16W/(m2.K)。求：（1）稳态时如炉门外壁温度不能超过60℃，内层材料的厚度至少为多少？（2）如外层材料的耐热极限是85℃，此内层厚度可否？（18分）解：（1）稳态时，有下面的热平衡：代入有关数据，可得：。（2）外层材料的最高温度位于两层的连接处，有热平衡如下：代入内层厚度等数据，可得连接处的温度℃，因此外层不超温。一厚度为0.5m的大平壁，其内具有一个强度为的内热源。在某一瞬时该平壁内的温度分布为：。求：（1）x=0和x=0.5m处的热流密度；（2）该平壁的热力学能随时间的变化率；（3）x=0和x=0.5m处的温度随时间的变化率。已知：导热系数，比热，密度。（15分）解：（1）则x=0时，q=24.38320=7801.6W/m2，x=0.5时，q=24.38（320+3200.5）=11702.4W/m2。（2）非稳态时该大平壁的能量平衡为：所以，单位面积的大平壁的热力学能随时间的变化率为：（3）温度随时间的变化率可由其非稳态导热方程计算：=，代入数值：，，得：一室内暖气片的散热面积为A=3m2，表面温度为tw=50℃，它和20℃的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为h=4W/(m2·K)。试问该暖气片相当于多大功率的电暖器?(10分)解：暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热。=Ah(tw–tf)=3m2×4W/(m2·K)×(50-20)K=360W=0.36kW即相当于功率为0.36kW的电暖器。4．实验测得2500K钨丝的法向单色发射率如图所示，计算其辐射力及发光效率。（17分）第4题钨丝的法向单色发射率部分黑体辐射函数T/（m.K）Fb(0-)/%9001000180019002000…5000550060000.0090.03233.9465.2256.690…63.4169.1273.81解：设钨丝为漫射表面，半球空间内的总辐射力可通过发射率e确定。1T=22500=5000mK，查表81，得：，因此，，辐射力：W/m2。可见光的波长范围是0.38～0.76mm，1T=0.382500=950mK，2T=0.762500=1900mK，查表，得：，。灯丝发出的辐射能在可见光波长范围的辐射能量为：所以，发光效率为：计算下图的角系数：倾斜的长平板A2和底板A1间的角系数X1,2和X2,1。（10分）解：做A3表面，使A1、A2、A3构成封闭的空腔。由角系数的完整性，。，又由几何结构的对称性可知，。因此，。由A1X1,2=A2X2,1，得：X2,1=A1X1,2/A2=2000.5/1002=2/2=0.707。

学年第学期期末试题课程名称传热学B使用专业建筑环境与能源应用工程18级班级_________________姓名_____________学号__________试题得分一二三四五六七八九十总分分析简答（56=30分）如图,两个水平放置的夹层，冷热表面间的换热方式有何特点？如果要测量液体的导热系数，应采用哪个布置方式？(a)(b)两根直径不同的蒸汽管道，外表面敷设厚度相同，材料相同的保温材料。如果管子外表面和绝热层外表面的温度相同，其每米长的热损失是否相同？不论是火电还是核电系统，汽轮发电机都采用氢气进行冷却，而不采用空气。目前世界上50MW以上的汽轮发电机组主要采用氢冷。那么，为什么氢气的冷却比空气好?采用氢气进行冷却，应注意什么？已知1个大气压条件下0℃时空气和氢气的导热系数分别为0.0244和0.163W/m.K.请说明不凝性气体对凝结换热的影响及原因。CO2为什么被称作温室气体？简单计算（40分）有三块分别由纯铜（导热系数为l1=398W/(m.K)）、黄铜（导热系数为l2=109W/(m.K)）和碳钢（导热系数为l3=40W/(m.K)）制成的大平板，厚度都是d=10mm，两侧表面的温差都维持为tw1tw2=50℃不变，比较通过每块平板的导热热流密度的大小。（9分）在一根外径为30mm的长圆柱体中埋设了电加热器。当温度为25℃的水以1m/s的速度横向（即垂直其轴线方向）流过该圆柱体时，为使表面维持90℃的均匀温度所需的单位长度功耗为28kW/m。当同样处于25℃的空气以10m/s的速度横向流过该圆柱体时，为使表面维持90℃的均匀温度所需的单位长度功耗为400W/m。计算并比较水和空气的对流换热系数。（9分）已知黑体温度为127℃，计算它的辐射力、单色辐射力最大时的波长。（6分）写出图中外拐角边界节点（m,n）的差分方程，边界条件如图中所示，一侧绝热，另一侧为第三类边界条件（取）。（9分）第4题第5题计算一个无限大平面2和它上面的一个球表面1间的角系数X1,2。（7分）计算题（30分）一个边长为30cm的正方形薄平板，内部有电加热装置，垂直放置在静止的空气中，左侧绝热，空气温度为35℃。为防止平板内部电热丝过热，其表面温度不允许超过150℃。平板表面的辐射换热的表面传热系数为9W/(m2.℃)，求电加热器的允许最大功率。（15分）已知：垂直平壁表面自然对流换热准则关联式为，其中，C、n见下表：流动情况特征长度CnGr适用范围垂直平壁（恒壁温）壁面高度0.590.02920.111/40.391/3104~31093109~21010>21010干空气热物理性质（P=1.013×105Pa）t（℃）×102（W/(mK)×106（m2/s）Pr901003.133.2122.1023.130.6900.688一个直径为D=100mm、深度L=50mm的圆柱形空腔，其内壁为漫灰表面，黑度为0.6，具有均匀的温度1500K。假设腔口的周围环境很大，且温度为300K，求离开腔口的净辐射能。（15分）

学年第学期期末试题答案课程名称传热学B使用专业建筑环境与能源应用工程18级班级_________________姓名_____________学号__________试题得分一二三四五六七八九十总分分析简答（56=30分）如图,两个水平放置的夹层，冷热表面间的换热方式有何特点？如果要测量液体的导热系数，应采用哪个布置方式？(a)(b)答：(a)中是纯导热，(b)中是自然对流换热。如果要测量液体的导热系数，应采用布置方式(a)。两根直径不同的蒸汽管道，外表面敷设厚度相同，材料相同的保温材料。如果管子外表面和绝热层外表面的温度相同，其每米长的热损失是否相同？答：不相同。因为圆柱坐标下的导热热阻与半径有关，当厚度相同，材料相同的保温材料敷设于不同直径的蒸汽管道外时，由于保温层直径的不同使得其导热热阻不同，因此，传热量也不同。不论是火电还是核电系统，汽轮发电机都采用氢气进行冷却，而不采用空气。目前世界上50MW以上的汽轮发电机组主要采用氢冷。那么，为什么氢气的冷却比空气好?采用氢气进行冷却，应注意什么？已知1个大气压条件下0℃时空气和氢气的导热系数分别为0.0244和0.163W/m.K.答：主要因为氢气的导热系数是空气的6.68倍。相同流速下，纯氢气的对流换热系数是空气的1.5倍，其换热效果优于空气。采用氢冷须注意其密封结构，否则泄露后会发生爆炸。请说明不凝性气体对凝结换热的影响及原因。答：不凝结气体使凝结换热削弱，原因有2个：一方面，随着蒸气的凝结，不凝结气体会越来越多地汇集在换热面附近，阻碍蒸气靠近；另一方面，换热面附近的蒸汽分压力会逐渐下降，饱和温度ts降低，凝结换热温差tstw减小，这两方面的原因使凝结换热大大削弱。CO2为什么被称作温室气体？答：因为CO2对辐射具有选择性吸收的特性。地面发射的红外辐射位于CO2的吸收辐射的波长范围，因此，CO2能吸收地面发射的红外辐射，而不让它们逃逸出大气层，等于给地球穿了一件“棉衣”；因此，CO2的增加将使大气层内温度越来越高——温室效应，CO2等被称为温室气体。简单计算（40分）有三块分别由纯铜（导热系数为l1=398W/(m.K)）、黄铜（导热系数为l2=109W/(m.K)）和碳钢（导热系数为l3=40W/(m.K)）制成的大平板，厚度都是d=10mm，两侧表面的温差都维持为tw1tw2=50℃不变，比较通过每块平板的导热热流密度的大小。（9分）解：三块板的热流密度分别为：纯铜：黄铜：碳钢：在一根外径为30mm的长圆柱体中埋设了电加热器。当温度为25℃的水以1m/s的速度横向（即垂直其轴线方向）流过该圆柱体时，为使表面维持90℃的均匀温度所需的单位长度功耗为28kW/m。当同样处于25℃的空气以10m/s的速度横向流过该圆柱体时，为使表面维持90℃的均匀温度所需的单位长度功耗为400W/m。计算并比较水和空气的对流换热系数。（9分）解：当水或空气流过该圆柱体时，通过对流换热带走的热量等于电加热器的功耗，对单位长度圆柱体有下面的能量平衡关系式：式中D为圆柱体外径。因此，对流换热系数为：代入水和空气情况下的数值，得：水：空气：已知黑体温度为127℃，计算它的辐射力、单色辐射力最大时的波长。（6分）解：，所以写出图中外拐角边界节点（m,n）的差分方程，边界条件如图中所示，一侧绝热，另一侧为第三类边界条件（取）。（9分）答：整理，得:计算一个无限大平面2和它上面的一个球表面1间的角系数X1,2。（7分）解：在球的上面做一个无限大辅助平面3，则表面1、2、3构成一个封闭空腔，由角系数的完整性，。球面为非凹表面，。又由几何结构的对称性可知，。因此，，则。计算题（30分）一个边长为30cm的正方形薄平板，内部有电加热装置，垂直放置在静止的空气中，左侧绝热，空气温度为35℃。为防止平板内部电热丝过热，其表面温度不允许超过150℃。平板表面的辐射换热的表面传热系数为9W/(m2.℃)，求电加热器的允许最大功率。（15分）已知：垂直平壁表面自然对流换热准则关联式为，其中，C、n见下表：流动情况特征长度CnGr适用范围垂直平壁（恒壁温）壁面高度0.590.02920.111/40.391/3104~31093109~21010>21010干空气热物理性质（P=1.013×105Pa）t（℃）×102（W/(mK)×106（m2/s）Pr901003.133.2122.1023.130.6900.688解：电加热器在允许最大功率时的发热量将通过表面的对流和辐射散出去：因此需求出它表面的对流换热系数hc。该表面为自然对流换热，定性温度：（35+150）/2=92.5℃，查表，得空气的物性参数：=3.15W/(mK)，=22.3575m2/s，=0.68895，体膨胀系数：=1/（273+92.5）=0.002736因此，1.437108则，C=0.59,n=1/4，所以，=58.85由，得：W/(m2.℃)所以，电加热器的允许最大功率：。一个直径为D=100mm、深度L=50mm的圆柱形空腔，其内壁为漫灰表面，黑度为0.6，具有均匀的温度1500K。假设腔口的周围环境很大，且温度为300K，求离开腔口的净辐射能。（15分）解：因为从腔口发射出的辐射能几乎全部被周围环境的物体吸收，所以可以将腔口假想为一黑体表面A2，温度为300K，离开腔口的净辐射能就等于空腔内壁面A1与A2间的辐射换热量。由两个漫灰表面组成的封闭空腔表面间净辐射换热量：其中，根据角系数的相对性，有，则：代入已知条件：，，，，得：。

学年第学期期末试题课程名称传热学A使用专业建筑环境与能源应用工程19级班级_________________姓名_____________学号__________试题得分一二三四五六七八九十总分一、基本概念（40分）1.请说明建立导热微分方程所依据的基本定律。（5分）2.同一个冰箱，请问结霜的冰箱耗电多还是不结霜的耗电多？（5分）3.对于一个一维无内热源无限大平板的稳态导热，平板左侧绝热，右侧温度为50℃，请问平板中间截面以及左侧表面的温度是多少？（6分）4.一个无穷大平板，厚度为2，初始温度t0为常数，从=0时刻开始突然置于温度为tf的流体中，假设tf<t0，请画出在下述两个条件下，两个不同时刻1、2（0<1<2）平板内的温度随时间的变化规律。（a）Bi;（b）Bi0。（8分）5.有2个间壁式换热器。一台是冷油器，管内的油被管外的水冷却；另一台是暖风机，管内的热水加热室内空气。为了强化换热，在管内都安装一个细的螺旋状金属丝。请问，对于冷油器和暖风机，加装螺旋金属丝后，强化换热的效果会如何（效果是否显著）？(6分)6.对于空气外掠平板的强迫对流和竖壁的自然对流换热的流动边界层，其速度分布如何？在绘出其各自的速度分布示意图，并简要说明其区别。（5分）7.如何强化膜状凝结换热？请举一个强化水平管外凝结换热的方法。(5分)二、简单计算（20分）1.写出图中边界节点（m,n）的差分方程，边界条件如图中所示，一侧绝热，另一侧为第三类边界条件。（10分）（写出原始形式，不要做任何整理。不写原始形式，而给出最后合并同类项后的结果，不管是对还是错，一律算错，得0分）2.计算下列表面的角系数：（10分）（a）一个无限大平面2和它上面的一个球表面1间的角系数X1,2。（b）倾斜的长平板A2和底板A1间的角系数X1,2和X2,1。(a)(b)三、计算题（40分）1.一个直径为30mm、壁温为100℃的管子，向室内温度为20℃的环境散热，其热损失为100W/m。为了把热损失降为50W/m以下，在管道外需要敷设保温材料。现在有2种保温材料，材料A的导热系数为0.5W/(m.K)，可利用率为3.1410-3m3/m；材料B的导热系数为0.1W/(m.K)，可利用率为4.010-3m3/m。请计算，如果要敷设上述两种材料（敷2层），哪种材料应该敷在里面一层？假设敷设保温材料后，外表面与房间环境的表面传热系数不变（10分）2.一根铂丝长10mm，直径为0.1mm，将此铂丝置于温度为20℃的空气气流中，用它测定空气的流速。此时铂丝通以1.22A的电流，温度维持在202℃。若铂丝的电阻为0.215，问冲刷铂丝的空气流速是多少?(15分)已知空气的物性参数：=15.0610-6m2/s,=2.5610-2W/(m.K)。空气横向冲刷圆柱体时的对流换热准则方程为：Red=10100时，Nud=0.52Red0.47Red=10002105时，Nud=0.18Red0.623.有两个直径为0.4m的平行同轴圆盘，相距0.1m，两盘置于墙壁温度为T3=300K的大房间内，一个圆盘表面温度为T1=500K，发射率为1=0.6，另一个圆盘绝热。若两圆盘的背面均不参与换热，求：(15分)(1)画出圆盘、房间之间的辐射换热网络图；(2)计算绝热圆盘的表面温度T2。已知两同轴圆盘间的角系数为X1,2=0.62，大房间可视为黑表面。学年第学期期末试题答案课程名称传热学A使用专业建筑环境与能源应用工程19级班级_________________姓名_____________学号__________试题得分一二三四五六七八九十总分一、基本概念（40分）1.请说明建立导热微分方程所依据的基本定律。（5分）答：能量守恒定律和傅里叶定律。2.同一个冰箱，请问结霜的冰箱耗电多还是不结霜的耗电多？（5分）答：结霜的耗电多。因为一层霜相当于多了一层热阻，阻碍了传热，要达到相同的冰箱内温度，则蒸发器要处于更低的温度，因此，结霜的耗电更多。3.对于一个一维无内热源无限大平板的稳态导热，平板左侧绝热，右侧温度为50℃，请问平板中间截面以及左侧表面的温度是多少？（6分）答：都是50℃。因为平板是稳态的，左侧绝热，则通过其内部的热量须为0。根据导热的计算，温差除热阻就是传热量，则其温差须为0，因此，平板内温度都是50℃。或者根据稳态导热方程以及边界条件，可求出其温度分布为50℃。4.一个无穷大平板，厚度为2，初始温度t0为常数，从=0时刻开始突然置于温度为tf的流体中，假设tf<t0，请画出在下述两个条件下，两个不同时刻1、2（0<1<2）平板内的温度随时间的变化规律。（a）Bi;（b）Bi0。（8分）答：5.有2个间壁式换热器。一台是冷油器，管内的油被管外的水冷却；另一台是暖风机，管内的热水加热室内空气。为了强化换热，在管内都安装一个细的螺旋状金属丝。请问，对于冷油器和暖风机，加装螺旋金属丝后，强化换热的效果会如何（效果是否显著）？(6分)答：冷油器管内的油，粘度大，是主要的对流换热的热阻，加装螺旋金属丝后，能够显著地改善管内的对流换热情况，因此，强化换热效果明显。对于暖风机，其主要的热阻在于管外的空气侧，把螺旋金属丝加在管内，则效果不明显。强还换热应在热阻较大的一侧进行。6.对于空气外掠平板的强迫对流和竖壁的自然对流换热的流动边界层，其速度分布如何？在绘出其各自的速度分布示意图，并简要说明其区别。（5分）答：自然对流边界层内的流体是在浮升力与粘性力的共同作用下运动，而强迫对流边界层内的流体是在惯性力与粘性力的共同作用下运动，这就决定了自然对流边界层内的速度分布与强迫对流不同，自然对