传热学复习题答案

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：tAx：导热热量，单位：W：导热系数，单位：/WmKA：平板面积，单位：2mtx：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wfhAtt（2）冷却时fwhAtt：导热热量，单位：Wh：表面传热系数，单位：2/WmKA：平板面积，单位：2mft：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：WA：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8245.6710/WmK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tqgradtnx，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：xyzqqiqjqk，其中,,ijk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wtconst0时，1wtf第二类边界条件wqconst0时，2-wwtqfn第三类边界条件-()wfwthttn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ttRA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/2ddRl）的内外半径比值有关，而通过球壳的导热热阻（121114Rrr）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。3．0ythty与wfwthttn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。4．0ythty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。140.77HVhlhd，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10swtttC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：4Reswdhttr1/4320.729lllswrghdtt临界雷诺数：1332344443542.916Re1600swcdttgr由100stC,查表：2257/rkJkg由95ptC，查表：3961.85/kgm0.6185/WmK6298.710/kgms531233976.32.07swrdmttg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