东南大学传热学2003考研真题及答案详细解析

1东南大学二00三年攻读硕士学位研究生入学考试试题一、选择填空（共30分，每小题3分。答错一题扣4分，不答扣3分，本题不得负分）1、冬季室内气温高于室外气温，如果用裸露的热电偶测量室内空气的温度，则温度计的读数（）（A)高于空气实际的温度（B)等于空气实际的温度（C)低于空气实际的温度2、空气横向略过等温圆柱，从圆柱前驻点开始向后热边界层厚度在不断增加，如果Re比较小，流动保持层流，则（）（A)局部对流换热系数hφ逐渐减小（B)局部对流换热系数hφ保持不变（C)局部对流换热系数hφ可能减小，也可能增加3、将初始温度为t0的小铜球放入温度为t∞的水桶里，如果用集中参数法来分析，则在经过的时间等于时间常数τc时，铜球的温度为（）（A)t=(t0+t∞)/2（B)t=0.632t∞+0.386t0（C)t=0.386t∞+0.632t04、饱和水蒸汽在水平圆管外侧凝结，ld,圆管的壁温恒定，以下的方案（）可以增加单位时间内的凝结水量。（A)将圆管垂直放置（B)将圆管倾斜放置（C)在圆管外面假装低肋管5、在室内一根未保温的钢管内通入1000C的饱和水蒸汽，用来加热室内的空气，如果需要增加传热量，则可以通过（）方法来实现。（A)在管内安装肋片（B)降低管道的厚度（C)在管外安装肋片6、根据蓝贝特定律，黑体的定向辐射强度在各个方向都是相同的，这表明（）（A)穿过微元黑体表面正上方的单位面积的辐射能与侧上方单位面积上的辐射能相等（B)穿过微元黑体表面正上方的半球面上单位面积的辐射能最大（C)穿过微元黑体表面正上方的半球面上单位面积的辐射能最小7、一根放在空气中的电缆，其电阻为R，通过强度为I的电流，外面有一层绝缘材料，如果减小绝缘材料的厚度，则（）（A)电缆的表面温度会升高2（B)电缆的表面温度会降低（C)电缆的表面温度可能上升也可能降低8、在套管式换热器中用热水来加热冷水，对于图1中的两个流体温度变化曲线，（）（A)a正确b错误（B)b正确a错误（C)两图都可能正确9、对于图2中二维稳态导热问题，右边界是恒定热流边界条件，热流密度为qw，如果采用有限差分法求解，当△x=△y时，则在下面的边界节点方程式中，（）是正确的。（A)t1+t2+t3-3t4+qwx=0（B)t1+2t2+t3-4t4+2qwx=0（C)t1+t2+t3-4t4+qwx=010、在高温蒸汽管道外包敷两种不同的保温材料，一种导热系数较小，另外一种导热系数稍大，如果包敷的厚度相同，以下说法（）是正确的（A)为减少传热量，导热系数较小的材料应放在内层（B)为减少传热量，导热系数较大的材料应放在内层（C)如何包敷材料对传热量没有影响二、简答题（共40分，每题8分）1、空气分别与宽度为2H，高度为H的竖直平壁和宽度为H，高度为2H的竖直平壁进行自然对流换热，试比较两种情况下对流换热的大小。2、夏天在室外穿白色的衣服比穿黑色的衣服感觉凉爽，在室内是否也会有同样的感觉？试用传热学的原理加以说明。3、两根不同直径的蒸汽管道，外面都覆盖一层厚度相同、材料相同的热绝缘层。如果管子表面以及热绝缘层外表面的温度相同，试问：两管每米长的热损失相同吗？若不同，哪个大？试证明之。4、在进行管内强迫对流换热试验研究时，需测量哪些量，如何测？实验结果如何整理？5、简述Bi和Nu的异同，并说明两者在传热学中的作用。三、计算题（共80分，每题20分）31、厚度为10cm的大平板，通过电流时发热率为3×104W/m3,平板的一个表面绝热，另一表面暴露于250C的空气之中。若空气与平板之间的换热系数为50W/(m2·K),平板的导热系数为3W/(m·K)，试：（1）写出该问题的微分方程及定解条件；（2）求平板内温度分布表达式；（3）求平板中的最高温度。2、直径0.13mm的导线暴露在-300C的空气流中，气流速度为230m/s。导线长125mm，并用电加热。试计算导线的表面温度为1700C时所需的电功率。3、一直径为200mm的圆盘电热器1，其上方有一直径为400mm的半球罩2。他们被放置在温度为270C的大房间3内（房间内的气体可视为透热气体），如圆盘底部和侧面均绝热，且t1=7270C、ε1=0.9;t2=2270C、ε2=0.1，求（1）画出该系统的辐射网络图；（2）计算加热器和半球罩之间的辐射换热量；（3）计算加热器的功率。4、有一台逆流套管式换热器，用1000C的热油将250C的水加热到500C，而热油被冷却到650C，换热器的传热系数为k=340W/(m2·k)。如油的比热容为1950J/(kg·K)，质量流量为0.4kg/s；水的比热容为4180J/(kg·K)。求换热器的换热面积A。如使用一段时间后，油使传热面上产生一层油污，使油的出口温度只能降低到800C，求其污垢系数Rf(m2·K/W)。42003年传热学专业课试题解析一、选择填空1、C【详情】假定室内气温为t0，热电偶温度为t，室外气温为t∞（t0t∞）,则墙壁温度为，由能量守恒定律有h(t0-t)=εσ（T4-T4∞）0,所以t0t，即选（C）2、C【详情】流体横掠单管时会发生绕流脱体，层流脱体发生在ψ=800～850处。hφ开始随着边界层的厚度增加而减小，但脱体之后hφ会回升，即增加。所以选（C）3、B【详情】若τ=τc，则00t=exp(1)0.386ttt，移项得t=0.632t∞+0.386t0。所以选（B）4、C【详情】∵ld,∴不管是垂直还是倾斜放置，都会使管子边界层随着管长往下增厚，h减小。而因为是低肋管，所以增加的那部分直径也在临界绝缘直径范围内，所以总是能使传热量增加的，即能增加单位时间内的凝结水量。所以选（C）5、C【详情】加强传热，首先要分析主要热阻在哪一个环节。此处，共有三个环节：管内壁凝结换热、管壁导热、管外对流换热，而空气对流换热系数很小，无疑主要热阻在管外对流环节。所以选（C）6、B【详情】大家首先要充分理解定向辐射强度I（单位时间、单位可见面积、单位立体角内的辐射量）。()()coscosdIdIdAddAd，其中I、dA、dΩ不变，θ越小，则dΦ(θ)越大。所以选（B）7、A【详情】减小绝缘材料厚度就是减小直径，而电缆直径一般小于临界绝缘直径，此时传热量会随着直径的减小而减小，即传热系数h减小。Φ=I2R不变、空气温度t∞不变，由Φ=h(t-t∞)可知电缆表面温度会升高。所以选（A）8、A【详情】此题可用排除法：b中水平线代表凝结或沸腾，而此题中只是热水和冷水，无凝结或沸腾。所以b错误，选（A）59、B【详情】由热平衡有：34241411022wttttttyxxqyxyy，移项可得（B）中式子。所以选（B）10、A【详情】假设12，材料厚度都为σ，管长为l。若材料1放在内层，则总热阻为112ln[()/]ln[(2)/()]22rrrrRll；若材料2放在内层，则总热阻为221ln[()/]ln[(2)/()]22rrrrRll。而21212111()()[ln]2(2)rRRlrr，其中2()(2)rrr乘开即得，所以12RR。为减少传热量，当然希望热阻大，所以选（A）二、简答题1、左图是局部换热系数hx随高度的变化而变化的曲线，由图可知：层流时，局部换热系数主要取决于边界层的厚度，从竖壁下部开始，随着高度的增加，边界层厚度增加，因此局部换热系数减小；高度继续升高时，层流会经过过渡阶段，此时由于流动扰动和混合，局部对流换热系数增大，达到稳定湍流（C）hx达到恒值。如图，a代表宽度为2H、高度为H的竖壁，b代表宽度为H、高度为2H的竖壁。显然1和1’及2所代表的区域换热强度相同，有差异的是2和2’。①若2’处于层流状态，则显然2’的边界层厚度大于2（1’），所以2’的换热系数更低，总体上a换热强度大于b。②若2’处于非层流状态则有可能大于2。所以总体上b的换热强度可能大于a。2、不会。应为可见光占了近一半，而物体对可见光的吸收表现出强烈的选择性：在可见光范围内，白色衣服几乎全部反射可见光，而黑色衣服几乎全部吸收可见光，故白色衣服比黑色衣服吸收的太阳辐射少；二者发射率几乎相同，所以白色衣服净吸收太阳能比黑色衣服少，所以穿白色衣服感觉凉爽。而在室内，物体发射的辐射能波长大多在红外范围，二者吸收比差不多，净辐射换热量也差不多，故无同样的感觉。3、材料相同，即λ相同；厚度相同，即σ相同；管子表面以及热绝缘层表面的6温度相同，则△t相同。由2222lnln(1)ltltddd可知，当d减小时，Φ增大。即直径小的管子热损失大。4、需要测量的物理量有：①流体进出口温度'ft、''ft和内壁温度wit，可用热电偶测量②流体体积流量qv，可用孔板流量计测量③管子的几何尺寸：管子内径d和长度l,可用尺子测量由流体进出口温度可得流体平均温度'''()/2ffttt，从而可查到流体密度ρ、Pr、比热容c，动力粘度v，而流体速度24vqud，传热量'''()vffcqtt，传热面积Adl，对流传热系数hAt整理数据根据准则方程Nu=f(Re,Pr)来进行（其中hNu、362300.1310Re149420.0210udv）。5、①Nu中的为流体的导热系数；Bi中的为固体的②Nu中的h未知；Bi中的一般为已知③Nu一般为待定准则；Bi一般为已定准则④物理意义上，Nu表示壁面附近的流体的无量纲温度梯度；Bi表示固体内部导热热阻与界面上的换热热阻之比。三、计算题1、（1）微分方程：()0ddtdxdx①定解条件：0,0dtxdx②,()fdtxhttdx③（2）解上述①②③三个方程联立的方程，得22()2ftxth（3）由（2）可知，当x=0时，t最大。即最高温度为44220max3103100.1(0.1)2513522350fttCh2、定性温度011()(17030)7022mwtttC，由此可查附录四得22.9610/()WmK，6220.0210/vms，Pr=0.6947362300.1310Re149420.0210udv，则C=0.683、n=0.466∴140.46614RePr0.68314940.69418.79nNuC2232.961018.794278.34/()0.1310NuhWmKd()()wwhAtthdltt334278.343.140.131012510(17030)30.56W3、假想一个封闭腔：半球罩底面除电热器1之外的表面定义为表面3。因为辐射从表面2射向后从大房间射向表面2的射线极少少，可以认为便面3全面接收了这些辐射，即表面3是黑体。其示意图如右图所示：（1）没有射线从表面1射向表面3,即X1,3=0。所以网络图可以简化为:（2）X1,2=1,X3,2=1。2221113.140.20.031444Adm，22222(2)23.14(0.42)0.2512ADm223110.09424ADAm4842115.6710(727273)56700/bETWm4842225.6710(227273)3543.75/bETWm4842335.6710(27273)459.27/bETWm对J2有：1222321233,21111,22201111bbbEJEJEJAXAAXA得到J2=11601.40W/m2从而加热器和半球罩之间的辐射换热量为：8222223543.7511601.40=-224.90110.10.25