北京理工大学材料加工冶金传输原理期末试卷A-B试的题目及问题解释

《冶金传输原理》试题（A）参考答案

一、名词解释（每题2分，共16分）

1.不压缩流体：指流体密度不会随压强改变而变化，或该变化可忽略的流体。

2.速度边界层：指在靠近边壁处速度存在明显差异的一层流体，即从速度为

零到0.99倍的地方称为速度边界层。

3.雷诺准数及其物理意义：&=幽，表征惯性力与粘性力之比。是流态的

判断标准。

4.黑度（发射率）：实际物体的辐射力与相同温度下黑体的辐射力之比称为

物体的黑度，也叫发射率。

5.傅立叶准数及其物理意义：F。/,也称时间准数，表示非稳定传热所

进行的时间与其达到平衡状态所需要的总时间之比；或工时间内非稳态传

热的传热量与其达到稳态（平衡）时传输的总热量之比。

6.热通量与传质通量：单位时间内通过单位面积的热量称为热（量）通量；

单位时间通过单位面积的物质量称为传质通量。

7.角系数：由表面1投射到表面2的辐射能量QT占离开表面1的总辐射能

量Q｝的份数称为表面1对表面2的角系数,用符号夕时表示，即：=绐。

8.流向传质与非流向传质：与流体流动方向相同的传质叫做流向传质；与流

体流向垂直的传质叫做非流向传质。

二、填空题（每空1分，共19分）

1理想流体是指不存在粘性力,或其作用可忽略的流体。

2气体超音速射流产生过程中，气体流股截面积先收缩后膨胀，压强且

断降低。

3流场中流体各物理量只是空间单一方向的函数，称一维流场

4固体壁面无滑移边界条件是指壁面速度与相接触的流体层速度相等，而

无渗透边值条件为垂直于壁面方向流体速度为零.

5如果流场中每点的物理量值都一致，则称其为包匀场；如果各点的物理量

值不随时间而变化，则称其为稳态场。

6根据动量守恒定律，可以推导出纳维一斯托克斯方程；根据能量守恒定

以，可以推导出传热微分方程；根据质量守恒定律则可以分别推导出

流体连续性方程方程和质量传输微分方程。

7研究对流给热的主要任务，就是求解对流给热系数鼠现在求解力的方法

有四种，它们分别是边界层微分方程组解析解、边界层近似积分解、类

比律法、和相似理论指导下的实验方法。

8一般说来，固体的导热系数大于（大于、等于、小于）液体，液体的导

热系数大于（大于、等于、小于）气体；在固体中，通常金属的导热系

数大于（大于、小于、等于）非金属，结晶物质的导热系数大于（大

于、小于、等于）非晶物质的导热系数；大多数金属的导热系数随温度的

升高而降低（升高、降低、不变）。

三'选择题（每题5分，共15分）

1.伯努利方程表达式错误的是一D0

A.gz+^+L=常数B.z{+—+—=z^+—+—

P2Pg2gPg2g

C.z+2+齐=常数D.—+y=^z2+—+-^-

pg2gpg2pg2

2.单层圆筒壁内外流经物性和温度均不同的流体1和流体2,那么该单层圆

筒壁在第ni类边界条件下，一维稳态导热的总热阻为氏二B。

11Id)1

AA.—+-----In—+—

/?12欣&h2

口11.6/,1

B.1------------------------------------In---2--1---------------------

兀入&

hx7idxL2Lh27rd2L

CV—

自2也44

小

Dc----1--IIn—

2TTLAd}

3.已知环境流体对直径为100mm的圆柱体的总对流给热系数h为12()

W/(m2.℃),圆柱体的平均导热系数2为163W/(m.℃),比热C”为

440J/(kg-℃),密度p为8800kg/m3,则C。

A因为体系的Bi=0.0736<0.1,所以可以视为薄材。

B因为体系的B/v=0.0368>0.033,所以不能视为薄材。

C因为体系的8'=0.0368<0.1,所以可以视为薄材。

D因为体系的B/v=0.0736>0.05,所以不能视为薄材。

四'简答题（每题5分，共20分）

1.流体流动过程主要受到哪几类力的作用？各自常见的力有哪些？

流体主要受到体积力和表面力两大类力的作用，体积力常见的有：质量力、

电磁力；表面力常见的有：粘性力和压应力。

2.请说明7V，的物理含义

%首先是粘性应力，由于X方向流动速度在y方向存在差异而产生于流

体内部。下角标y表示力的法向，x表示力的方向。

%同样代表粘性动量通量，此时下角标y表示动量传递方向，x表示动量

的方向。

3.简述对流给热（换热）的机理，为什么说边界层导热是对流给热的限制性

环节？

答：对流给热是指流体流经与之温度不同的固体界面时，流体与固体之间

所发生的热量传输现象，是对流传热和传导传热的综合结果。在流体与固体壁

面交界处存在（速度边界层和）温度边界层，温度边界层外近似无温度梯度，

温度梯度只存在于边界层内。对于层流边界层，层与层之间没有宏观物质传输,

芍热主要依靠传导传热，热阻很大；湍流边界层内由于存在层流底层，传热也

要依靠传导传热，热阻也很大。因此，边界层导热是对流给热的限制性环节。

4.简述气体辐射与火焰辐射及其区别。

答：气体的辐射和吸收能力与其分子结构有关，对波长有明显的选择性，

因此气体的辐射和吸收光谱是不连续的，支能吸收或辐射一定波长范围的辐射

能，不同的气体，波长范围不同；另外气体辐射属于表面辐射。而实际火焰中

一般含有大量的固体颗粒，多是发光火焰，少有纯净气体燃烧发出的不发光火

馅，因此在火焰辐射中起主要作用的是炭黑、灰尘等固体颗粒，这些固体颗粒

的辐射和吸收类似于固体辐射，可以在可见光谱和红外光谱范围内连续发射辐

射能量，由此它们的光谱是连续的。

五、计算题（每题10分，共30分）

1.粘性系数日二0,048Pa.s的流体流过两平行平板的间隙，间隙宽b=4mm,

〃=2（b-y）

流体在间隙内的速度分布为今,，其中C为待定常数，y为垂

直于平板的坐标。设最大速度Umax=4m/S,试求最大速度在间隙中的位

置及平板壁面上的切应力。

解：1）由速度分布可知y坐标原点位于下平板

%=on/[(3-y)-y]=ony=5

即中心处U取最大值，在两板中央取速度最大值（5分）

将y=3/2代入速度分布式

7o

u侬二"r&=>c=4U侬=4x4=16(m/s)

(7分)

y=°T=p-=0.048x—=192(n/m2

54'10一3\

丫=§T=-pi-=-192(n/m2)

8

(10分，能给出一个就给分。未求出C值者扣2分)

流体作用于上下平板的壁面切应力都是192(n/n?),且均指向流动方

向，而正负号不同则源于应力正负向的规定。

2.“冰冻三尺，非一日之寒二设若地表可以看作是半无限厚物体，温度分

布可表示为g=erf[^^],初始温度为/o=lO℃,后受到冷空气侵袭，

地表温度突然降为卜=15℃并维持不变。确定这种条件下，地面下1m处

温度降为0℃所需的时间。已知：地表土壤土质均匀，土壤物性参数分别

11

为：p=2050kg-m\A=0.52W-m•℃',C/7=1840J-kg•℃'；高斯误差

函数表如下：

erf(0.42)=0.45erf(0.44)=0.47erf(0.46)=0.48erf(0.48)=0.50

erf(0.50)=0.52erf(0.52)=0.54erf(0.54)=0.55erf(0.56)=0.57

erf(0.58)=0.59erf(0.60)=0.60erf(0.62)=0.62erf(0.64)=0.63

erf(0.66)=0.65erf(0.68)=0.66erf(0.70)=0.68erf(0.72)=0.69

erf(0.74)=0.70erf(0.76)=0.72erf(0.78)=0.73erf(0.80)=0.74

解：依题意，地表的降温可以看作是办无限厚物体的导热。地表土壤的

物性取为

=0.138x10、.

0.6=^()

即:10℃-(-15七)以汇

查表得：2心汇

得「卬58天

由上面的分析可知当地表温度很低时，地下还可以保持较高的温度。

所以将水管埋在地下可防止水结冰。

3.干空气以5m/s的速度吹过().3mX0.3m的浅的盛水盘，在空气温度30℃、

水温10℃的条件下，已知水分子在空气中的扩散系数0=2.44x10-5m2/so

问：水的蒸发速率(g/s)是多少？(若空气沿平板流动为层流，则有

Sh=0.6MReiSci；若空气沿平板流动为湍流时，则S〃=0.0365Re。！)；

不同温度下物性参数如下：

温度，℃102030

动量扩散系数〃值，1。一6m2/S14.1615.0616.00

水表面饱和水蒸气的密度〃，g/m39.40417.3130.40

-52

解：以题意，v=5m/s,L=0.3m,〃=30℃,AP=10℃,£>=2.44x1Qm/s

得知：&=2答=理罗=2。℃，查得2()℃条件下%15.06X10-6n12/s,

15.06xlO-6

并求得：Sc=—==0.6172

D2.44x10-5

八£=总篝=力96,^6叱，属于层流，适用层流绕流

平板准数方程，于是有:

4

5/2=—=0.66W5c'=0.664x(9.96xl0)^x0.6172'=178.4

D

ShD178.4x2.44x1()7

-------=-----------------------=1.45x10m/s

L0.3

n=k・F・bp

=1.45xlO-2xO.3x0.3x(9.404-0)

=1.227x1()-2g/s

答：水的蒸发速率是1.227Xl()-2g/s。

冶金工程《冶金传输原理》试题（B）

—、名词解释（每题2分，共16分）

1.层流

流体质点在流动方向上分层流动，各层互不干扰和掺混，这种流线呈平等状

态的流动称为层流。

2.表面力

作用于流体微元界面（而非质点）上的力，该力与作用面的大小成比例

3.粘性系数

表征流体变形的能力，由牛顿粘性定律所定义的系数：〃=±年二，速度梯度

dux

dy

为1时，单位面积上摩擦力的大小。

4.热通量与传质通量：单位时间内通过单位面积的热量称为热通量；单位时

间通过单位面积的物质量称为传质通量。

5.温度梯度：在温度场中某点P的温度梯度定义为该点所在等温面或等温线

法线方向，单位长度上的温度增量。

6.修伍德准数的表达式：Sh二智

7.傅立叶准数的物理意义：傅立叶准数又称时间准数，表征不稳

态传热趋于稳态的程度，或者说是不稳态传热进行的时间与由不稳态传热

达到稳态所用总时间之比。

8.黑度（辐射率、发射率）：实际物体的辐射力与相同温度下黑体的辐射力

之比称为物体的黑度，也叫发射率、辐射率。

二、填空题（每空1分，共19分）

1.一维圆管中水流的质量守恒表达式为

nA=c或4A=或PMA=p2u2A2

2.伯努力方程的物理意义是一L能、且_能、势能总和守营。其积

分式应用条件是不可压缩、沿流线、稳态流、理想流体、只有

重力场。

3.如果动量传输微分方程可以写作

11

dvxdvxdvxdvx(dvxdvx»匕1I8p而同口//

drdxdy~dz(dydz2)pdx

输微分方程可以写作

Sv.Sv.dvdv(d2v..52v..82v\(Dq/..,

一十匕一+八-x1"+口—x=〃一米+—a+—++---+—v(改为

dzdx-dy~dz(dx~办~dz~)pCppCp

dTdT8T8Td2T

---F也----FV---FV.——=ah+〃一）质量传输微分方

dr---dx----vdy----dzPl

程可以写作雷+%•管f管+匕管也

、dx2dy2

4.影响流体对流给热系数的因素可以归结为四个方面。它们分别为：流体流

速、流体的物性参数、流体温度和固体壁面的几何形状、尺寸。

5.一般说来，固体的导热系数大于（大于、等于、小于）液体，液体的导

热系数大于（大于、等于、小于）气体；在固体中，通常金属的导热系

数比非金属上（大、小、等于），结晶物质的导热系数要比非晶物质的

导热系数大（大、小、等于）：大多数金属的导热系数随温度的升高而降

低（升高、降低、不变）。

三、选择题（每题5分，共15分）

4.纳维尔-斯托克斯方程表达式正确的为D。

A.。也“X一丝+以粤+粤+粤)

drdxdx~dy~dz~

chivdP32wd2u

B.。片="+M+〃(z波v+x

dududuvdPC2WS~〃r

D夕(--+u--x+u—xL+it--x)x=pX—+4(Z-V+-+—

drxrdxyvdyZdzdxdx2dy~dz"

5.如果半无限厚、无限大平壁的温度分布可写作AQ,「）="'"）一"，有限

，oT/

厚、无限大平板的温度分布可写作B（"）JX"）TJ,无限长圆柱体的

温度分布可写作C（r,r）=,那么，一个半无限长圆柱体内的温

度分布式可写作C。

A.AXB

B.BXC

C.AXC

D.AXBXC

6.现有两种保温材料，要敷设在外径为0.025m的管道外层保温。已知保温

材.料I的导热系数3=0.135J/s.m.℃,保温材料H的导热系数加=

0.090J/s-m-℃,保温层外表面与空气的对流给热系数〃=9及而・3那么，

不管敷设厚度如何，只要敷设，f能对管道起到保温作用。

E.保温材料I

F.保温材料n

G.保温材料I和II两者都

H.保温材料I和n两者都不

四、简答题（每题5分，共20分）

5.纳维尔・斯托克斯方程和欧拉方程的应用条件各是什么？

N・S方程：不可压缩、物性守常、粘性流体

欧拉方程：无粘流体

6.什么是速度边界层，边界层的提出有何意义？

指在靠近边壁处速度存在明显差异的一层流体，即从速度为零到0.99倍的

地方称为速度边界层。提出后对于湍流流动可分为主流区（无粘流动）和

边界层流动，据各自方程可求速度，使原本不可求的流动问题可解。

7.在室内温度相同、穿着相同的条件下，为什么冬天的室内比夏天的室内让

人感觉更冷？

答：是因为人体与墙壁辐射换热的作用。室内气温相同、穿着相同的条件

下，人的体温大致相同。但冬天的墙壁温度要低于夏天的墙壁温度，冬天

人体通过辐射换热传给墙壁的热量要比夏天的大，因此会使人感觉更冷

8.分子扩散传质与传导传热的联系与区别：两者都是依靠物体之间相接触时

分子或原子（基本粒子）之间的热运动来实现的，在温度差和浓度差同时

存在时，基本粒子之间的热运动可同时引起分子扩散传质和传导传热，这

是他们之间的联系。区别是分子扩散传质要发生宏观物质位移，而传导传

热则没有或可以忽略。因此温度对分子扩散传质和传导传热的影响是不同

的。

五、计算题（每题10分，共30分）

1.设静止液体中密度随深度h而增加，夕=〃'+夕。式中卜为常数，°。为

上液面密度，试据运动方程推导液体中压强随深度变化规律。

华=Qg=("+"o)g

ah

p/

\山)=\：(kh+Q(Jgdh

0

p等"+小。)2

=矗［("+夕。)2-.；

NK

p=+2%)J

2.用热电偶测量钢水的温度。已知钢水的温度为1650℃,热电偶插入钢水前

的温度为20℃o热电偶的接点可以看作是球形，直径d=1mm,密度

p=7900kg/m3,等压比热C〃=42()J/(kg℃),导热系数上5()W/(m℃)。热电

2

偶接点与钢水的对流换热系数h=3000W/(m℃)o已知“薄材”的无量纲温

度计算公式为§=exp(——"二j，求热电偶测得钢水温度为1648℃时

所需的时间。

解：首先判断热电偶是否为“薄材

身=与=驾票Q=OO3<O.I,满足“薄材，，的条件，可以视为“薄

材“。

根据“薄材”的无量纲温度计算公式

tj(，/z-(V/F)4"、h-F

==exp8v•Fov•r)==exp------------r

f-7-.(v/叽p^C-V

九%-f\LP7

可知

一j