《传热学》习题课对流换热部分PPT课件

1、1、传热学课题课(对流换热部分)，课件制作：层华杰，第2，5章对流换热复习问题，1 .用简洁的语言说明热边界层的概念。 a :在对流热交换的情况下，在固体附近存在薄的流体层，在该层中流体温度在垂直壁面方向上从壁面的温度变为与壁的温度相等，急剧变化为流体主流温度，在流体主流区域的温度变化率看起来为零。第3、5章对流换热复习问题，2 .与完全能量方程式相比，边界层能量方程式最重要的特征是什么？ a :完全二次元稳态无内热源时的能量方程式： 边界层能量方程。 边界层能量方程的重要特征是没有项。第四，五章对流换热复习题，3 .式(5-4)和导热问题与第三类边界条件等式(2- 1.7 )的区别是什么a

2、:式(5-4)，式(2- 1.7 )如下： 两者的不同点在于，在二式中热传导率不同，在(5-4)式中热传导率为流体，相对于此，在(2- 1.7 )式中热传导率为固体壁的两者的温度梯度，在(5-4)式中是流体边界层的壁面上的温度梯度，在(2- 1.7 )式中是固体的与流体接触的壁面上的温度梯度。 式(5-4)中的h是未知的，(2-17 )式中的h是已知的。 其他参数两者相同。第5、5章对流换热复习问题，4 .式(5-4)表明，边界处垂直于壁面的热传递完全依赖于热传导。 在对流换热过程中，流体的流动起到了什么样的作用？ 答：流体的流动作用是保持边界层的厚度，边界层的产生是由流体粘度产生的，流体的流

3、动速度是通过决定边界层厚度的主要因素之一边界层，将以热传导形式交换的热量传递给通过流体流动的流体，实现了对流热交换。第六、五章对流换热复习题、第五章对流换热问题的完整数学描写应该包含什么内容？既然对许多实际的对流换热问题不能求出正确的解，那么建立对流换热问题的数学描写又有什么意义呢？ a :质量守恒方程，即应包含连续性方程的动量守恒方程，即纳贝斯克方程能量守恒方程。第七、第五章对流换热复习问题、对流换热问题数学描述的意义在于，从分析解决的方面出发，能够求出实际的对流换热过程、数学式中各参数及其导函数水平的大小分析、方程式的简化、与实际的传热问题相符的近似解， 发现动量方程和能量方程有相似的形式

4、，利用比喻方法建立两者的关系，利用阻力系数，可以从比较容易求出或测量，求解对流关系式的实验回归表面传热系数方面控制方程和解条件，利用相似原理和维数分析，进行实验设计和数据回归、第8、5章对流换热练习题、5-1流体外视平板流动，利用数量级分析方法，从动量方程导出厚度变化关系式。 解：在流动边界层中，y、v的数量级是边界层厚度级，u、x的数量级大。 在体积力和介质压力可忽略的情况下，稳态、二次元、无内热源的动量方程为：9、第五章对流换热问题，等号左端第一项大于第二项，忽略第二项的等号右端括号内的第一项小于第二项，忽略第一项，面对常见流体为二量级。 1.0，第五章对流换热问题，5-2是对油、空气和液

5、态金属。 有Pr1、Pr1、Pr1。 对外观等温平板层流边界层的流动，描绘了三种流体边界层中速度分布和温度分布的粗略图像： 2.0的液体金属汞：=11.410-8m2/s，Pr=2.7210-2，1.1，第五章对流换热问题，2.0的空气：=15.0610-6m2/s，Pr=0.703 1.2第五章对流换热问题，解： 2.0的14#润滑油：=410.910-6m2/s，Pr=4846，1.3，第五章对流换热问题，5-3流体作两平行平板间层流向一盏茶发展的对流换热(参见图)(1)试制了在qw1=qw2这3种状况下发展为一盏茶的地域截面上的流体温度分布曲线；(2) qw1=2qw2； (3) qw1

6、=0。 解： (1) qw1=qw2时，热边界层相同，流体温度是抛物线分布，1.4，第5章对流热交换问题，(2) qw1=2qw2时，qw1侧的热流量大，流体温度被加热的温度高，温度梯度大，形成的边界层薄，qw2侧的热流量小，流体温度被加热在温度梯度小、所形成的边界层厚度(3) qw1=0的情况下，qw1侧的热流量是0、温度梯度是0、qw2侧的热流量是一定的，温度分布与正常相同，抛物线分布、1.5、第5章对流热交换问题、有5-4的电子部件的壳可以简化成图中所示的形状，截面是正方形，上下表面是绝热，两侧纵壁分别是试着定性地描绘了空洞的截面中空气流动的图像。 解： th及tc使近壁介质产生密度差，

7、上下壁面绝热，不传热，高温侧上升的瓦斯气体流速和温度比低温侧上升的瓦斯气体流速和温度高。 形成如图的环流。 1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2，第五章对流换热问题，5-7温度8.0平板置于流入温度20的气流中。 假设与平板表面的某一点的壁面垂直的方向的温度梯度为40/mm，尝试求出了在那里的热流密度。 解：瓦斯气体的定性温度，因为一般瓦斯气体的热传导率与空气非常接近，所以采用空气的热传导率：查阅附录5，5.0时：=0.0283W/mK，2.3，第5章对流热交换问题，5-8取水平板边界层的流动从层流变化成湍流的临界雷诺数(rec ) 5105，2.5的空气，水解：查阅附录8和

8、1.0，2.5时：2.4，2.5，第5章对流换热问题，对放置在5-23气流中的粗糙表面进行导热试验，特征长度x是计算点与平板前缘的距离。 在气流温度t=27、流速u=50m/s下，尝试计算了远离平板前缘的x=1.2m下的剪切应力。 平壁温度tw=73。 解：比喻理论，湍流时：2.6，2.7，第五章对流换热练习题，5-10两无限大平板间的流体，基于上板运动的层流粘性流动，在文献中常常被称为库埃特流。 如果忽略由流体中的粘性引起的机械能的变换。 求出流体的速度和温度分布吧。 上板温度为tw2，下板温度为tw1。2.8、第五章对流换热问题、解：由于是两无限大大板块间的流动，所以速度场与温度场和x、z

9、坐标无关，稳定地只是y坐标的函数，传递学基本方程：2.9、第五章对流换热问题、层流粘性流动条件下y方向速度v=0、x方向速度u为y的函数、温度t为y的函数， 传热学基本方程是边界条件：3.0，第五章对流热交换练习题，速度和温度分布是两板无限大，稳定态下压力在x方向的变化率是常数，积分简化动量方程是代入上下的速度边界条件得到的3.1，第五章对流热交换练习题，速度和温度分布积分简化能量方程是， 代入上下温度边界条件得到的3.2、第五章对流换热练习题5-14实验中放置于水中某平板点的剪切应力为1.5Pa，水温和平板温度分别为1.5和6.0的话，试计算了当地的局部热流密度。 解：定性温度采用线性插值法

10、，查阅附录9，3.3，第5章对流换热问题，剪切应力与Re数的关系局部换热系数局部热流密度，3.4，第5章对流换热问题，第5-21夏天，将饮料容器放入冰水蒸发制冷较多。 为了加速蒸发制冷，提出了使饮料盒(例如罐)在其轴线周围在冰水中旋转的专利。 如果饮料瓶和罐子能够实现绕轴线的纯粹的旋转，试着从对流传热的基本方程来分析能否用这种方法加速饮料的蒸发制冷，3.5，第五章对流热交换问题，a :能够加速饮料的蒸发制冷。罐子里的饮料一般不装满，所以将罐子水平放置，上部有瓦斯气体空间。 罐子旋转后，由于饮料的粘性与罐子的墙壁一起旋转，饮料在圆周方向发生层间相对运动，其运动速度比静止时大，边界层变薄，表面传热

11、系数变大，传热量变大，饮料的蒸发制冷加速，第6章单相对流传热的实验关联式复习问题，1.2个类似的物理现象有什么共同点？ 怎么两个物理现象相似？ 答：如果两种类型的物理现象在相应的时间点与相应地点与现象有关的物理量成一对一比例，则这两种物理现象相互类似。 共性：同名相似特征数相等，单值条件相似。 当两个同类物理现象的初始条件、边界条件、几何条件和物理条件相似时，两个物理现象相似。3.7、第6章单相对流传热的实验关联式复习问题、2 .工程技术中类似原理的应用的两个例子。 答：泵、风扇和压缩机的流体过程非常复杂，泵、风扇和压缩机的设计采用很相似的原理进行实验和设计。 换热设备的设计也常用相似的原理进

12、行实验和设计。3.8，第六章单相对流传热的实验关联式复习问题，3 .将一些有维物理量组成的实验数据替换为少数无量纲量后，该实验数据的性质和地位发生了怎样的变化？ 答：可以大幅度减少实验次数，并且由于相似原理，个别实验得到的结果提高了代表整个相似组的地位，得到的结果具有一定的通用性。3.9，第6章单相对流传热的实验关联式复习问题，4-1 .什么是内部流动？ 什么是外部流？ a :内部流动：热交换壁面上的流动边界层和热边界层可能受到相邻壁面的限制，流体受到周边封闭壁面内的流动的限制。 外部流动：热交换壁面上的流动边界层和热边界层自由发展，不受邻接壁面存在的限制的流动。4.0，第6章单相对流传热的实

13、验关联式复习问题，4-1 .关于流动现象，外视单管的流动和配管内的流动有什么不同？ a :管道内的流动具有流动边界层的特征。 外观单管流除了具有边界层的特征外，还会产生回旋流脱体，产生逆流、涡流和涡束。4.1，第六章单相对流传热的实验关联式复习问题，4-3 .外视单管和管内流动两个流动现象本质上有什么不同？ a :外观单管热交换壁面上的流动边界层和热边界层可以自由发展，但管内流动边界层和热边界层仅限于通路壁面。 外部流动中存在边界层外的区域，速度梯度和温度梯度都可以忽略不计。4.2，第6章单相对流换热的实验关联式复习问题，5 .外视管束的平均表面传热系数仅在流动方向管列数大于一定的数值时，与管

14、列数无关，尝试分析其原因。 a :在流体外掠夺管列时，管列的第一列的流体从均匀的流动开始，流过各列后流动的状态重新分布，流体的乱动程度变高，产水量和流动空间一定，所以流过数列后，乱动的程度逐渐稳定，管列的平均表面传热系数和管列数、4.3，第六章单相对流传热的实验关联式复习问题，6-1 .将管内对流传热发展为一盏茶的概念的意义。 a :所谓使管内的流动发展为一盏茶，管内的流体状态不发生变化，此时的边界层几乎稳定，热交换强度不变。4.4，第6章单相对流换热实验相关式复习题，6-2 .说明管槽内对流换热的入口效果，并简要说明其原因。 答：入口效应：当流体从大空间进入管道时，流体边界层的厚度从零开始增

15、加，靠近管道中心的流化态也从均匀状态逐渐发展成最终的层流或湍流状态.从进口的均匀状态到最终层流或湍流状态的区域称为入口段。 入口段热边界层较薄，局部表面的传热系数比一盏茶发展段高，随着边界层的增厚，表面的传热系数向主流方向逐渐下降. 边界层发生湍流时，湍流的紊乱和混合作用会导致局部表面的传热系数提高，形成一定的值。4.5，第六章单相对流换热实验相关复习题，7 .说明大空间自然对流换热与有限空间自然对流换热的区别。 这与强制对流中的外部流动和内部流动有什么区别？ a :空间中的自然对流热交换：流体的蒸发制冷过程和加热过程互不影响的自然对流热交换。 有限空间自然对流热交换：流体的加热和蒸发制冷过程

16、相互影响的自然对流热交换。 差异在于加热和蒸发制冷过程是否相互影响。4.6、第六章单相对流传热实验关联式复习题，流化态不同，大空间自然对流与有限空间自然对流为自然对流，不同强制对流的外部流动与内部流动是强制对流。 大空间自然对流的边界层不受干扰，流向强制对流外部的边界层受到主流体的流动的干扰。 有限空间自然对流的边界层受到干扰作用的程度比管内强制对流边界层受到干扰作用的程度小。 共同点是大空间自然对流的边界层和流向强制对流外部的边界层不受相邻的壁面限制。 有限空间的自然对流和内部流动强制对流的传热受相邻壁面的限制。4.7，第6章单相对流传热的实验关联式复习问题，8 .简要阐述了喷气流冲击传热时

17、冲击表面的局部表面传热系数的分布规律。 a :喷嘴表面距被冲击物体的相对距离H/D比较大时，局部表面传热系数从停滞点的最高值向周围单调下降，随着r增加下降倾向变缓，以相同的r/D局部表面传热系数随ReD升高而上升。4.8、第6章单相对流传热的实验关联式复习问题是，当H/D减少到1左右时，第2峰值处的局部表面传热系数接近ReD高时停滞点处的值。 当喷气流离开喷嘴后，由于气流的缠绕作用，气流的湍流度急剧增加，同时当气流到达壁面时，由于气流和壁面之间的激烈冲击作用，气流的振动增加。 由于这些个因素的综合作用，在一定条件下局部表面传热系数的分布出现了第二个峰.4.9，第六章单相对流换热实验相关复习题，

18、当H/D减少到5左右时，随着ReD的增加，局部表面传热系数的分布开始出现第二峰。 随着ReD的上升，这一趋势越来越明显。 概述了5.0、第六章单相对流换热实验相关复习题、9.Nu数、Pr数及Gr数的物理意义、nu数与Bi数的差异。 a:nu数的物理意义：壁面上流体的无量纲温度梯度(注意流体的热传导率) Pr数的物理意义：动量扩散厚度和热扩散厚度之比的测定Gr数是浮力/黏滞力比的尺度。 Nu数和Bi数的不同是导热率的不同，Nu数是流体的导热率，Bi数是固体的导热率。 5.1，第六章单相对流换热实验关联式复习题，1.0 .如果遇到新的对流换热现象，从参考资料中查找换热特征方程时需要留心什么？答：首先从对流换热现象的特征确定强制对流换热、自然对流换热或