2026年传热学期末考试题及答案

2026年传热学期末考试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.某复合平壁由三种材料组成，导热系数分别为λ₁=2W/(m·K)、λ₂=0.5W/(m·K)、λ₃=4W/(m·K)，厚度分别为δ₁=0.1m、δ₂=0.05m、δ₃=0.2m。若各层接触热阻可忽略，热流密度由大到小的顺序为（）A.λ₁层>λ₃层>λ₂层B.各层热流密度相等C.λ₂层>λ₁层>λ₃层D.λ₃层>λ₁层>λ₂层2.空气在圆管内作强制湍流换热，若流速提高1倍（仍为湍流），其他条件不变，则对流换热系数约变为原来的（）A.1.14倍B.1.74倍C.2倍D.4倍3.黑体在温度T时的辐射力为E_b，若温度升高至2T，则其最大单色辐射力对应的波长λ_max将（）A.变为原来的1/2B.变为原来的2倍C.变为原来的1/16D.不变4.对于无限大平壁的非稳态导热，当毕渥数Bi→0时，平壁内部温度分布可近似为（）A.线性分布B.抛物线分布C.均匀分布D.指数分布5.某换热器中，热流体入口温度150℃，出口温度100℃；冷流体入口温度30℃，出口温度80℃。若为逆流布置，对数平均温差ΔT_m为（）A.50℃B.60℃C.70℃D.80℃6.下列关于接触热阻的描述中，错误的是（）A.表面粗糙度越大，接触热阻越大B.界面间填充导热系数高的介质可降低接触热阻C.增大接触压力可减小接触热阻D.金属材料间的接触热阻通常小于非金属材料7.大空间自然对流换热中，格拉晓夫数Gr的物理意义是（）A.惯性力与粘性力之比B.浮升力与粘性力之比C.对流换热与导热能力之比D.辐射换热与对流换热能力之比8.两平行大平壁的辐射换热中，若其中一壁面的发射率由0.8降低至0.4，另一壁面发射率保持0.9不变，则系统辐射换热量将（）A.增大B.减小C.不变D.无法确定9.下列强化传热的措施中，属于减小热阻的是（）A.在冷凝器外表面加肋片B.提高流体流速C.降低换热器壁面的发射率D.增加保温层厚度10.对于管内流动的流体，当流动处于层流与湍流过渡区时，判断流态的关键无量纲数是（）A.雷诺数ReB.普朗特数PrC.努塞尔数NuD.斯特藩数St二、填空题（每空1分，共15分）1.傅里叶定律的数学表达式为__________，其适用条件是__________。2.毕渥数Bi的定义式为__________，其物理意义是__________。3.大容器饱和沸腾曲线中，从自然对流区到核态沸腾区的转折点称为__________；核态沸腾与膜态沸腾的转折点称为__________。4.黑体辐射的三个基本定律是__________、__________和__________。5.换热器的热计算方法主要有__________和__________，其中__________更适用于设计型计算。6.对于无限长圆筒壁的稳态导热，热流量沿径向__________（填“变化”或“不变”），热流密度沿径向__________（填“变化”或“不变”）。三、简答题（每题6分，共30分）1.比较导热、对流和辐射三种传热方式的本质区别，并各举一例工程应用。2.分析大空间自然对流换热中，流体温度与壁面温度差ΔT对换热系数h的影响规律，并说明原因。3.解释“临界热流密度”在沸腾换热中的工程意义，列举两种提高临界热流密度的措施。4.简述强化传热的主要途径，并说明在空调蒸发器中如何应用这些途径。5.对于高温管道的保温设计，当外直径小于临界保温直径时，增加保温层厚度反而会使散热量增加，试从热阻角度解释这一现象。四、计算题（共35分）1.（8分）一厚度为δ=0.05m的无限大平壁，初始温度均匀为T₀=20℃，一侧突然暴露于温度为T_f=200℃的高温流体中，对流换热系数h=100W/(m²·K)，另一侧为绝热。壁面材料的导热系数λ=50W/(m·K)，密度ρ=7800kg/m³，比热容c=460J/(kg·K)。求：（1）毕渥数Bi和时间常数τ_c；（2）当壁面与流体的温差降至初始温差的10%时所需的时间t。2.（9分）某蒸汽管道外径d₁=100mm，外表面温度T_w1=150℃，拟包覆两层保温材料：第一层（内层）导热系数λ₁=0.08W/(m·K)，厚度δ₁=30mm；第二层（外层）导热系数λ₂=0.04W/(m·K)，厚度δ₂=20mm。环境温度T_f=25℃，外层表面与环境的对流换热系数h=10W/(m²·K)，忽略辐射换热。求：（1）单位管长的热损失q_l；（2）若交换两层保温材料的顺序（即内层为λ₂，外层为λ₁），单位管长的热损失如何变化？说明原因。3.（9分）空气以流速u=10m/s流过长度L=2m的光滑圆管（内径d=50mm），入口温度T_in=20℃，管壁温度T_w=80℃。空气的物性参数：ρ=1.165kg/m³，μ=1.98×10⁻⁵Pa·s，λ=0.028W/(m·K)，Pr=0.703，c_p=1005J/(kg·K)。假设流动为湍流（Re>10⁴），采用迪图斯-贝尔特公式Nu=0.023Re^0.8Pr^0.4（流体被加热）。求：（1）空气的出口温度T_out；（2）管壁对空气的对流换热量Q。4.（9分）两平行大平壁（可视为灰体），面积均为A=2m²，温度分别为T₁=800K、T₂=500K，发射率分别为ε₁=0.6、ε₂=0.8。两壁面间为真空，忽略其他物体的辐射。求：（1）两壁面间的辐射换热量Q_r；（2）若在两壁面间插入一发射率ε_3=0.1的薄金属遮热板，求此时的辐射换热量Q_r'（保留两位小数）。五、综合分析题（20分）某航天器舱体表面有一电子设备，工作时发热功率为Φ=500W，通过导热方式传递至外表面，再通过辐射散热到宇宙空间（视为0K黑体）。已知设备与舱体接触面积A=0.1m²，接触热阻R_c=0.05K/W；舱体壁为铝合金，厚度δ=5mm，导热系数λ=200W/(m·K)；外表面发射率ε=0.9。假设舱体内部其他热交换可忽略，试分析：（1）当设备稳定工作时，其表面温度T_s和舱体外表面温度T_w；（2）若宇宙空间存在太阳辐射，航天器处于日照区时外表面接收的太阳辐射热流密度q_s=1360W/m²，此时设备表面温度如何变化？说明原因；（3）提出两种降低设备表面温度的改进措施，并简述原理。答案一、选择题1.B2.B3.A4.C5.A6.D7.B8.B9.B10.A二、填空题1.q=-λ(∂T/∂n)；连续均匀的各向同性材料，导热系数为常数2.Bi=hδ/λ；固体内部导热热阻与表面对流换热热阻之比3.起始沸腾点；临界热流密度点（CHF点）4.普朗克定律；斯忒藩-玻尔兹曼定律；维恩位移定律5.平均温差法；效能-传热单元数法（ε-NTU法）；平均温差法6.不变；变化三、简答题1.本质区别：导热是分子热运动传递能量（无宏观位移）；对流是流体宏观运动与分子热运动共同作用；辐射是电磁波传递能量（无需介质）。工程实例：导热—锅炉炉墙传热；对流—汽车散热器空气侧换热；辐射—高温炉墙对周围物体的散热。2.ΔT增大时，h先增大后趋于平缓。原因：自然对流中，浮升力由ΔT驱动，ΔT增大→流速增加→h增大；但当ΔT足够大时，流动进入旺盛湍流，流速增幅减小，h增长变缓。3.工程意义：临界热流密度（CHF）是核态沸腾向膜态沸腾的转折点，膜态沸腾时换热系数骤降，易导致设备超温损坏，因此实际运行需控制热流密度低于CHF。提高措施：增加液体过冷度；采用表面改性（如粗糙表面）增强汽化核心。4.强化途径：减小热阻（提高h、增大A、降低λ热阻）；增大温差。空调蒸发器应用：管外加肋片增大A；提高制冷剂流速增大h；采用亲水性表面增强凝结换热。5.保温层的总热阻包括导热热阻和对流热阻。当管径小于临界直径时，增加保温层厚度会使外直径增大，对流热阻（1/(hπd₂)）减小的幅度超过导热热阻（ln(d₂/d₁)/(2πλ)）增大的幅度，总热阻减小，散热量增加。四、计算题1.（1）Bi=hδ/λ=100×0.05/50=0.1；τ_c=ρcδ/(h)=7800×460×0.05/100=1794s。（2）θ/θ₀=0.1，非稳态导热采用集总参数法（Bi<0.1），θ=θ₀exp(-t/τ_c)→t=τ_cln(10)=1794×2.303≈4132s。2.（1）d₁=0.1m，d₂=d₁+2δ₁=0.16m，d₃=d₂+2δ₂=0.20m。单位管长导热热阻：R₁=ln(d₂/d₁)/(2πλ₁)=ln(0.16/0.1)/(2π×0.08)=0.470/(0.503)=0.935(m·K)/W；R₂=ln(d₃/d₂)/(2πλ₂)=ln(0.2/0.16)/(2π×0.04)=0.223/(0.251)=0.888(m·K)/W；对流热阻R₃=1/(hπd₃)=1/(10×π×0.20)=0.159(m·K)/W；总热阻R=R₁+R₂+R₃=0.935+0.888+0.159=1.982(m·K)/W；q_l=(T_w1-T_f)/R=(150-25)/1.982≈63.07W/m。（2）交换顺序后，内层λ₂=0.04，外层λ₁=0.08：R₁'=ln(0.16/0.1)/(2π×0.04)=0.470/(0.251)=1.872(m·K)/W；R₂'=ln(0.2/0.16)/(2π×0.08)=0.223/(0.503)=0.443(m·K)/W；R'=1.872+0.443+0.159=2.474(m·K)/W>原热阻，q_l'=(150-25)/2.474≈50.53W/m，热损失减小。原因：将导热系数小的材料放在内层（温度更高处），可更有效降低导热热阻。3.（1）Re=udρ/μ=10×0.05×1.165/(1.98×10⁻⁵)=29419>10⁴（湍流）；Nu=0.023Re^0.8Pr^0.4=0.023×(29419)^0.8×(0.703)^0.4≈0.023×4547×0.865≈91.7；h=Nuλ/d=91.7×0.028/0.05≈51.4W/(m²·K)；质量流量m=ρuA=1.165×10×(π×0.05²/4)=0.0229kg/s；换热量Q=hπdL(T_w-T_m)，其中T_m=(T_in+T_out)/2；又Q=mc_p(T_out-T_in)，联立得：51.4×π×0.05×2×(80-(20+T_out)/2)=0.0229×1005×(T_out-20)解得T_out≈48.5℃。（2）Q=0.0229×1005×(48.5-20)=0.0229×1005×28.5≈652W。4.（1）两平壁辐射换热量Q_r=ε₁ε₂Aσ(T₁⁴-T₂⁴)/(ε₁+ε₂-ε₁ε₂)（大平壁，角系数X₁,₂=1）。σ=5.67×10⁻⁸W/(m²·K⁴)，代入得：Q_r=0.6×0.8×2×5.67×10⁻⁸×(800⁴-500⁴)/(0.6+0.8-0.6×0.8)=0.96×5.67×10⁻⁸×(4096×10⁸-625×10⁸)/(1.4-0.48)=0.96×5.67×(3471×10⁸)×10⁻⁸/0.92≈0.96×5.67×3471/0.92≈0.96×5.67×3772.8≈0.96×21400≈20544W。（2）插入遮热板后，系统热阻增加两个表面的辐射热阻，总换热量Q_r'=σA(T₁⁴-T₂⁴)/(1/ε₁+1/ε₂+2/ε₃-2)（假设遮热板两侧发射率相同）。代入得：Q_r'=5.67×10⁻⁸×2×(800⁴-500⁴)/(1/0.6+1/0.8+2/0.1-2)=5.67×10⁻⁸×2×3471×10⁸/(1.667+1.25+20-2)=5.67×2×3471/(20.917)≈39470/20.917≈1887W（保留两位小数为1887.00W）。五、综合分析题（1）稳定时，发热功率等于导热与辐射散热量之和。导热路径总热阻：R_total=R_c+δ/(λA)=0.05+0.005/(200×0.1)=0.05+0.00025=0.05025K/W。辐射散热量Φ_r=εAσT_w⁴（宇宙空间0K），稳定时Φ=Φ_r=εAσT_w⁴→T_w=(Φ/(εAσ))^(1/4)=(500/(0.9×0.1×5.67×10⁻⁸))^(1/4)≈(500/(5.103×10⁻⁹))^(1/4)≈(9.798×10¹⁰)^