传热学复习题答案.pdf

第一章 绪论 1试用简练的语言说明导热，对流传热及辐射传热三种热传递方式之间的联系 和区别。 答： 导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递 现象，称为导热；对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互 掺混。联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。 导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可 以在真空中传播，辐射换热时不仅有能量的转移还伴有能量形式的转换。 辐射传热由于黑体的辐射力与其热力学温度的四次方成正比，高温时显得尤为重 要。 2以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩 -玻尔兹曼定律是应 当熟记的传热学基本公式。试写出这三个公式并说明其中每个符号的意义。 答： 傅里叶定律： tA x ：导热热量，单位： W ：导热系数，单位： /W m K A ：平板面积，单位： 2m tx ：温度沿 x 方向的变化率，单位： /Km， /Cm “ ”：表示热量传递方向与温度升高方向相反 牛顿冷却公式： （ 1）加热时 wfhA t t （ 2）冷却时 fwhA t t ：导热热量，单位： W h ：表面传热系数，单位： 2/W m K A ：平板面积，单位： 2m ft ：流体温度，单位： K ， C wt ：壁面温度，单位： K ， C 斯忒藩 -玻尔兹曼定律： 4AT ：导热热量，单位： W A ：辐射表面积，单位： 2m ：斯忒藩 -玻尔兹曼常量，即黑体辐射常数，值为 8 2 45.67 10 /W m K T ：黑体的热力学温度，单位： K ， C 3 导热系数、表面传热系数及传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数，哪 些与过程有关？ 答： 导热系数的单位是： W/(m.K)； 表面传热系数的单位是： W/(m2.K)； 传热系数的单位是： W/(m2.K)。 这三个参数中，只有导热系数是物性参数，其它均与过程有关。 4当热量从避免一侧的流体穿过壁面传给另一侧的流体时，冷热流体之间的换 热量可以通过其中任何一个环节来计算（过程是稳态的），但本章中又引入了传 热方程式，并说它是“换热器热工计算的基本公式”。试分析引入传热方程式的 工程实用意义。 答： 5 用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍然安然无恙。而一旦壶内 的水烧干后，水壶很快就烧坏。试从传热学的观点分析这一现象。 答： 当壶内有水时，可以对壶底进行很好的冷却（水对壶底的对流换热系数大）， 壶底的热量被很快传走而不至于温度升得很高；当没有水时，和壶底发生对流换 热的是气体，因为气体发生对流换热的表面换热系数小，壶底的热量不能很快被 传走，故此壶底升温很快，容易被烧坏。 6 用一只手握住盛有热水的杯子，另一只手用筷子快速搅拌热水，握杯子的手 会显著地感到热。试分析其原因。 答： 当没有搅拌时，杯内的水的流速几乎为零，杯内的水和杯壁之间为自然对流 换热，自热对流换热的表面传热系数小，当快速搅拌时，杯内的水和杯壁之间为 强制对流换热，表面传热系数大，热水有更多的热量被传递到杯壁的外侧，因此 会显著地感觉到热。 7 什么是串联热阻叠加原则，它在什么前提下成立？以固体中的导热为例，试 讨论有哪些情况可能使热量传递方向上不同截面的热流量不相等。 答： 在一个串联的热量传递过程中，如果通过每个环节的热流量都相同，则各串 联环节的总热阻等于各串联环节热阻的和。例如：三块无限大平板叠加构成的平 壁。例如通过圆筒 壁，对于各个传热环节的传热面积不相等，可能造成热量传递 方向上不同截面的热流量不相等。 8.有两个外形相同的保温杯 A 与 B，注入同样温度、同样体积的热水后不久， A 杯的外表面就可以感觉到热，而 B 杯的外表面则感觉不到温度的变化，试问哪 个保温杯的质量较好？ 答： B： 杯子的保温质量好。因为保温好的杯子热量从杯子内部传出的热量少， 经外部散热以后，温度变化很小，因此几乎感觉不到热。 第二章 稳态热传导 1试写出导热傅里叶定律的一般形式，并说明其中各个符号的意义。 答： 傅立叶定律的一般形式为 tq gradt nx ，其中： gradt 为空间某点的 温度梯度； n 是通过该点的等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向； q 为该处的热流密度矢量； 为导热系数； tx 为沿 x 方向的温度变化率。 2已知导热物体中某点在 x,y,z 三个方向上的热流密度分别为 及 ，如何获得 该点的 热密度矢量？ 答： x y zq q i q j q k ，其中 ,i jk 分别为三个方向的单位矢量量。 3 说明得出导热微分方程所依据的基本定律。 答： 导热微分方程式所依据的基本定律有：傅立叶定律和能量守恒定律。 4 分别用数学语言将传热学术语说明导热问题三种类型的边界条件。 答： 边界条件 稳态导热 非稳态导热 第一类边界条件 wt const 0 时， 1wtf 第二类边界条件 wq const 0 时， 2-w wtqfn 第三类边界条件 - ( ) wfwt h t tn 5 说明串联热阻叠加原则的内容及其使用条件。 答： 内容： 在一个串联的热量传递过程中，如果通过每个环节的热流量都相同， 则各串联过程的总热阻等于各串联环节的分热阻之和。 使用条件： 在分析传热问题时，只要能将传热量与相关的温差写成 ttR A 的形式，则位于分母 R 中的部分就称为热阻。 6 生在一个短圆柱中的导热问题，在下列哪些情形下可以按一维问题来处理？ 答： 当采用圆柱坐标系，沿半径方向的导热就可以按一维问题来处理。 7 筒壁的导热量仅与内、外半径之比有关而与半径的绝对值无关，而通过球壳 的导热量计算式却与半径的绝对值有关，怎样理解？ 答： 因为通过圆筒壁的导热热阻 （ 21ln /2ddR l ） 的内外半径比值有关，而通 过球壳的导热热阻 （ 12 1 1 14R rr ） 球壳的绝对直径有关，所以绝对半径不 同时，导热量不一样。 8扩展表面中的导热问题可以按一维问题来处理的条件是什么？有人认为，只 要扩展表面细长，就可以按一维问题来处理，你同意这种观点吗？ 答： 只要满足等截面的直肋，就可按一维问题来处理。 不同意，因为当扩展表面的截面不均时，不同截面上的热流密度不均匀，不可看 作一维问题。 9肋片高度增加引起两种效果：肋效率下降及散热表面积增加。因而有人认为， 随着肋片高度的增加会出现一个临界高度，超过这个高度后，肋片导热热数流 量反而会下降。试分析这一观点的正确性。 答： 错误，因为当肋片高度达到一定值时，通过该处截面的热流密度为零。通过 肋片的热流已达到最大值，不会因为高度的增加而发生变化。 第五章 对流传热的理论基础 1试用简明的语言说明热边界层的概念。 答： 在壁面附近的一个薄层内，流体温度在壁面的法线方向上发生剧烈变化，而 在此薄层之外，流体的温度梯度几乎为零，固体表面附近流体温度发生剧烈变化 的这一薄层称为温度边界层或热边界层。 3 0y th ty 与 wf w t h t tn 有什么区别？ 答 ： 前者 的 h 是未知量，而 后者 中的 h 是作为已知的边界条件给出，此外 ，后者 中的 为固体导热系数 ， 而 前者 为流体导热系数， 前者 将用来导出一个包括 h 的 无量纲数，只是局部表面传热系数，而整个换热表面的表面系数应该把牛顿冷却 公式应用到整个表面而得出。 4 0y th ty 表明 ，在边界上垂直壁面的热量传递完全依靠导热，那么在对 流换热中，流体的流动起什么作用？ 答： 固体表面所形成的边界层的厚度除了与流体的粘性有关外还与主流区的速度 有关，流动速度越大，边界层越薄，因此导热的热阻也就越小，因此起到影响传 热大小 5 对流换热问题完整的 数学 描述应包括什么内容？既然对大多数实际对流传热 问题尚无法求得其精确解，那么建立对流换热问题的数字描述有什么意义？ 答： 对流换热问题完整的 数学 描述应包括：对流换热微分方程组及 单值性 条件， 单值性 条件包括 （ 1）几何条件 （ 2）物理条件 （ 3） 初始条件 （ 4）边界条件 建立对流换热问题的 数学 描述目的在于找出影响对流换热中各物理量之间 的相互制约关系，每一种关系都必须满足动量，能量和质量守恒关系，避免在研 究遗漏某种物理因素。 第六章 单相对流传热的实验关联式 1 什么叫做两个现象相似，它们有什么共性？ 答： 对于两个同类的物理现象，如果在相应的时刻及相应的地点上与现象有关的 物理量一一对应成比例，则称两现象彼此相似。 （ 1） 描述该现象的同名 已定特征数（准则）对应相等； （ 2）单值性条件相似。 3当一个由若干个物理量所组成的试验数据转换成数目较少的无量纲以后，这 个试验数据的性质起了什么变化？ 答： 将会 减少实验的次数， 并且 只要 无量纲 数相同，就可以用此组实验代替 。 4外掠单管与管内流动这两个流动现象在本质上有什么不同？ 答： 外掠时热边界层的发展不受限制，管内流动热边界层的发展受到限制，最多 发展到管子中心线。 5 对于外接管束的换热，整个管束的平均表面传热系数只有在流动方向管排数 大于一定值后才 与排数无关，试分析原因。 答： 因后排管受到前排管尾流的影响（扰动）作用对平均表面传热系数的影响直 到 10 排管子以上的管子才能消失。 6 试简述充分发展的管内流动与换热这一概念的含义。 答： 由于流体由大空间进入管内时，管内形成的边界层由零开始发展直到管子的 中心线位置，这种影响才不发生变法，同样在此时对流换热系数才不受局部对流 换热系数的影响。 7 什么叫大空间自然对流换热？什么叫有限自然对流换热？这与强制对流中的 外部流动和内部流动有什么异同？ 答： 大空间作自然对流时，流体的冷却过程与加热过程互不影响，当其流动时形 成的边界层相互干扰时，称为有限空间自然对流。 这与外部流动和内部流动的划分有类似的地方，但流动的动因不同，一个由外在 因素引起的流动，一个是由流体的温度不同而引起的流动。 9简述 Nu 数、 Pr 数、 Gr 数的物理意义。 答： Nu 数： 壁面上流体的无量纲温度梯度（ 为流体导热系数） Pr 数： 动量扩散能力与热扩散能力之比 Gr 数： 浮升力与粘性力之比 10对于新遇到的一种对流传热现象，在从参考资料中寻找换热的特征数方程 时要注意什么？ 答： （ 1） 确定关联式中表面传热系数时，牛顿冷却公式中的温差； （ 2）关联式中无量纲特征数中的特征长度的选取； （ 3）关联式中的定性温度； （ 4） Re 数中的特征流速的计算； （ 5）关联式得出的是整个表面的平均表面传热系数还是局部表面传热系数； （ 6）所计算的问题是否在关联式的适用范围内。 第七章 相变对流传热 1.什么叫膜状凝结，什么叫珠状凝结 ?膜状凝结时热量传递过程的主要阻力在什 么地方？ 答： 凝结液体在壁面上铺展成膜的凝结叫膜状凝结 ，膜状凝结的主要热阻在液膜 层； 凝结液体在壁面上形成液珠的凝结叫珠状凝结。 2在努塞尔关于膜状凝结理论分析的 8 条假定中，最主要的简化假定是哪两条 ? 答： 第 3 条，忽略液膜惯性力，使动量方程得以简化； 第 5 条，膜内温度是线性的，即膜内只有导热而无对流，简化了能量方程。 3有人说，在其他条件相同的情况下水平管外的凝结换热一定比竖直管强烈， 这一说法一定成立？ 答： 这一说法不一定成立， 需 要看管的长径比。 140.77H V h lhd ， Hh 为横管平均 表面传热系数， Vh 为竖壁平均表面传热系数 4为什么水平管外凝结换热只介绍层流的准则式？常压下的水蒸气在 10swt t t C 的水平管外凝结，如果要使液膜中出现湍流，试近似地估计一 下水平管的直径要多大 ? 答： 因为换热管径通常较小，水平管外凝结换热一般在层流范围。 对于水平横圆管： 4Re swdh t t r 1/ 4320 .7 2 9 ll l s w rgh d t t 临界雷诺数 ： 13 3 23 44 4 435 4 2 .9 1 6R e 1 6 0 0sw c d t t g r 由 100stC,查表： 2257 /r kJ kg 由 95 ptC ，查表： 3961.85 /kg m 0.6185 /W m K 62 9 8 .7 1 0 /kg m s 5 3 123 39 7 6 .3 2 .0 7 sw rdm t t g 即水平管管径达到 2.07m 时，流动状态才过渡到湍流。 5试说明大容器沸腾的 qt曲线中各部分的换热机理。 答： （ 1） 自然对流区：壁面过热度较小，没有汽泡产生，属自然对流工况； （ 2）核态沸腾区：开始产生汽泡，汽泡之间彼此互不干扰，随着温度的升高， 汽泡核心数目增加，汽泡之间彼此互相影响，并会合成汽块和汽柱，汽泡扰动剧 烈，传热系数和热流密度急剧增大； （ 3）过渡沸腾区：热流密度降低，这是因为汽泡汇聚覆盖在加热面上，而蒸 汽排除过程趋于恶化持续到 minq 为止； （ 4）膜态沸腾 区：加热面上形成稳定的蒸汽膜，产生的蒸汽有规则的排离膜 层。 6对于热流密度可控及壁面温度可控的两种换热情形，分别说明控制热流密度 小于临界热流密度及温差小于临界温差的意义，并针对上述两种情形分别举出 一个工程应用实例。 答： 对于热流密度可控的设备，如电加热器，控制热流密度小于临界热流密度， 是为了防止设备被烧毁 ； 对于壁温可控的设备，如冷凝蒸发器，控制温差小于临界温差，是为了防止 设备换热量下降。 7试对比水平管外膜状凝结及水平管外膜态沸腾换热过程的异同。 答 ： （ 1） 稳定膜态沸腾与膜状凝结在物理上同属相变换热 ； （ 2） 前者热量必须穿过热阻较大的汽 膜，后者热量必须穿过热阻较大的液膜； （ 3） 前者热量由里向外，后者热量由外向里。 8从换热表面的结构而言，强化凝结换热的基本思想是什么 ?强化沸腾换热的 基本思想是什么？ 答： 从换热表面的结构而言，强化凝结换热的基本思想是尽量减薄粘滞在换热表 面上液膜的厚度 强化沸腾换热的基本思想是尽量增加换热表面的汽化核心数。 9在你学习过的对流换热中表面传热系数计算式中显含换热温差的有哪几种 换热方式？其他换热方式中不显含温差是否意味着与温差没有任何关系 ? 答： 表面传热系数计算式 中显含换热温差的有 （ 1） 大容器饱和沸腾膜态沸腾表面传热系数计算式 13 40 .6 2 ()V l V V V w s grh d t t （ 2） 大容器饱和沸腾核态沸腾表面传热系数计算式 0 .3 3 Prpl s w l ll l V ct qC r r g （ 3） 水平圆管及球表面的凝结传热表面传热系数 1 4320 .7 2 9 ll H l s w rgh d t t 1 4320 .8 2 6 ll H l s w rgh d t t （ 4）怒塞尔的蒸汽层流膜状凝结分析解及实验修正解 1 432 4 llx l s wrgh d t t 1 4320 .9 4 3 ll V l s w rgh l t t 1 4321 .1 3 ll l s w rgh l t t （ 5）对流换热微分方程式 0y th ty 不显含温差 的有 （ 1） 湍流膜状凝结平均表面传热系数计算式 1 3 1 / 41 / 2 3 / 4Re5 8 P r P r / P r R e 2 5 3 9 2 0 0s w sN u G a 4Re swhl t t r （ 2）有限空间自然对流换热的表面传热系数计算公式 1 91 4Prh l HN u A G r 3 2v h cg t tGr v （ 3）大空间自然对流传热的表面传热系数计算公式 Pr n m mmhlN u C G r （ 4）外部强制对流传热的表面传热系数计算公式 13R e Prn l hlN u C （ 5）内部强制对流表面传热系数计算公式 2 / 3 2 / 3 / 8 R e 1 0 0 0 P r 1 1 1 2 .7 / 8 P r 1fftf f dN u cl f （ 6）流体外掠平板传热层流分析解 11 320.664 R e PrllNu 不显含温差并不意味着与温差无关，温差的影响隐含在公式适用范围 （如雷诺数， 普朗特数的范围不同，所选取公式不同）以及查取物性参数 中。 10在图 7-14 所示的沸腾曲线中，为什么稳定膜态沸腾部分的曲线会随 t 的 增加而迅速上升 ? 答： 因为随着壁面过热度的增加，辐射换热的作用越加明显。 第八章 热辐射基本定律和辐射特性 1什么叫黑体？在热辐射理论中为什么要引入这一概念？ 答： 能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体称为黑体 引入黑体这一概念后，可使用能量守恒定律进行计算，之后，真实物体的辐 射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而可以获得真实物体的 热辐射规律。 2温度均匀得空腔壁面上的小孔具有黑体辐射的特性，那么空腔内部壁面的辐 射是否也是黑体辐射？ 答： 不是，空腔内壁是有反射的，不是黑体 。 辐射会在空腔内部多次反射（每一次反射的能量都会减小），由于小孔很小， 认为反射光不会离开空腔，最终被多次反射后无限接近于被完全吸收。（射入小 孔的光不会 被反射出来，只会有辐射的光从小孔内发出）所以小孔非常接近理想 黑体，但是空腔壁不是黑体材料。 3试说明，为什么在定义物体的辐射力时要加上半球空间及全部波长 的说明？ 答： 单位时间内单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的全部波长范 围内的能量称为辐射力 。 因为 辐射表面半球空间每一立体角都有来自辐射表面的辐射能，而辐射能的 形式有各个不同波长，全辐射必须包括表面辐射出去的全部能量，所以要加上。 4黑体的辐射能按波长是怎样分布的？光谱吸收力 bE 的单位中分母的 3m 代表什么意义？ 答： 黑体 辐射能按波长服从普朗克定律， 3m 代表了单位面积和单位波长的意思。 5黑体的辐射按空间方向是怎样分布的？定向辐射强度与空间方向无关是否意 味着黑体的辐射能在半球空间各方向上是均匀分布的？ 答： 黑体的辐射按空间方向服从兰贝特定律。并不意味着，因为辐射强度是指单 位可见辐射面积的辐射能，在不同方向，可见辐射面积是不同的，即定向辐射力 不同。 6什么叫光谱吸收比？在不同光源的照耀下，物体常呈现不同的颜色，如何解 释？ 答： 物体吸收某一特定波长辐射能的百分数称为光谱吸收比 。 不同的光源会有不 同的波长，而且物体对各种波长的光的吸收不同，所以它呈现被反射的辐射颜色 不同。 7对于一般物体，吸收比等于发射率在什么条件下才成立？ 答： (1)整个系统处于热平衡状态； (2)如物体的吸收率和发射率有关，则二者只有处于同意温度下的值才相等； (3)投射辐射源必须是同温度下的黑体。 8，说明灰体的定义以及引入灰体的简化对工程辐射传热计算的意义 。 答： 光谱吸收比与波长无关的物体叫做灰体。 意义：灰体的吸收比恒等于同温度下的发射率，把实际物体当作灰体处理， 可以不必考虑投入辐射的特性，大大简化计算。 9黑体的辐射具有漫射特性如何理解从黑体模型（温度均匀的空腔器壁上的 小孔）发出的辐射能也具有漫射特性呢？ 答： 第九章 辐射传热的计算 1.试述角系数的定义。“角系数是一个纯几何因子”的结论是在什么前提下得出 的 ? 答： 表面 1 发出的辐射能落到表面 2 上的份额称为表面 1 对表面 2 的角系数。 “角系数是一个纯几何因子” 的结论是在物体表面性质及表面湿度均匀、物 体辐射服从兰贝特定律的前提下得出的。 2.角系数有哪些特性 ?这些特性的物理背景是什么 ? 答： 角系数有相对性、完整性和可加性。 相对性是在两物体处于热平衡时，净辐射换热量为零的条件下导得的； 完整性反映了一个由几个表面组成的封闭系统中。任一表面所发生的辐射能 必全部落到封闭系统的各个表面上； 可加性是说明从表面 1发出而落到表面 2上的总能量等于落到表面 2上各部 份的辐射能之和。 3.为什么计算 个表面与外界之间的净辐射换热量时要采用封闭腔的模型 ? 答： 因为任一 表面与外界的辐射换热包括了该表面向空间各个方向发出的辐射能 和从各个方向投入到该表面上的辐射能。 4.实际表面系统与黑体系统相比，辐射换热计算增加了哪些复杂性 ? 答： 实际表面系统的辐射换热存在表面间的多次重复反射和吸收，光谱辐射力不 服从普朗克定律，光谱吸收比与波长有关，辐射能在空间的分布不服从兰贝特定 律，这都给辐射换热计算带来了复杂性。 5.什么是一个表面的自身 辐射 、投入辐射及有效辐射 ?有效辐射的引入对于灰体 表面系统辐射换热的计算有什么作用？ 答： 自身辐射 ： 由物体内能转变成辐射能 ； 投入辐射 ： 投向辐射表而的辐射 ； 有效辐射 ： 离开辐射表面的辐射 。包括自身辐射和投入辐射被反射部分。 有效辐射概念的引入可以避免计算辐射换热计算时出现多次吸收和反射的 复杂性。 6.对于温度已知的多表面系统，试总结求解每一表面净辐射换热量的基本步骤。 答： (1)画出辐射 的等效 网络图 ，图上需 写出端点辐射力 ， 表面热阻和空间热阻； (2)写出由中间节点方程组成的方程组； (3)解方程组得到各点有效辐射； (4)由 公式 1bi ii ii EJ A 计算各表面净辐射换热量。 7.什么是辐射表面热阻？什么是辐射空间热阻？网络法的实际作用你是怎样认 识的？ 答： 辐射表面热阻 ： 出辐射表面特性引起的热阻 ； 辐射空间热阻 ： 由辐射表面形状和空间位置引起的热阻 。 网络法的实际作用是为实际物体表面之间的辐射换热描述了清晰的物理概 念和提供了简洁的解题方法。 8.什么是遮热板 ?试根据自己的切身经历举出几个应用遮热板的例子。 答： 插人两个辐射 换热 表面之间以削弱换热的薄板 ； 屋顶隔热板 ， 遮阳伞