2013年传热学期中考试答案

南昌大学2013～2014学年第一学期期中考试试卷1.内燃机气缸壁厚8mm,热导率50/(.)wWmK,燃气与气缸内表面的对流换热系数2600/(.)cihwmK,辐射传热系数230/(.)rihwmK,汽缸壁外表面与冷却水的对流传热系数21800/(.)ohwmK。设内燃机气缸壁可近似为平壁，试计算内燃机气缸壁传热的总热阻tR。运行一段时间后，冷却水侧结了1mm厚的水垢，水垢的热导率2/(.)fWmK，试估算由于水垢引起的总热阻的相对变化。(15分)答:（1）无水垢时：11()10.00810.0023/(60030)150118001WtiwociriWoRRRRhhAAhAKW（7分）（2）有水垢时：11()10.0080.00110.0028/(60030)15012118001fWtiwfociriWfoRRRRRhhAAAhAKW（6分）（3）总热阻的相对增加：0.00280.002321.86%0.0023tttRRR（2分）2.由导热微分方程的一般形式如下：()()()vttttcqxxyyzz简述上面方程中各项的物理意义。（2）将其简化成二维、非稳态、无内热源常物性的导热微分方程。（8分）燃气气缸内壁面气缸外壁面水垢外壁面冷却水答:（1）tc：微元体热力学能的增量()()()tttxxyyzz：微元体从X,Y,Z三个方向导入微元体的总热流量vq：微元体内热源的生成热（3分）（2）()0tzz0vq2222tttcxy(3分)3.一块大平板，厚度10cm，有内热源，平板中的一维稳态温度分布为2tbcx，式中100b，2100/cKm。假定平板的导热系数80/(.)WmK，试确定：(1)平板中内热源之值；(2)0x和x边界处的热流密度。（15分）答:(1)直角坐标中常物性、有内热源的一维稳态导热微分方程式为022Φdxtd（5分）∴243222(100)801.610(W/m)dtΦcdx……………..(5分)(2)根据傅里叶定律和给定的平板温度分布，可得000xxdxdtλq∴x=0处绝热………………………..(5分)2222(100)8010101600(W/m)xxdtqλcδdx(5分)4.一块初温为20℃、厚10cm的钢板，热导率为80/(.)WmK，密度为37800/kgm，比热容为460/(.)JkgK，放入800C的加热炉中加热，表面传热系数为2500/(.)WmK。问单面加热20min时的中心温度为多少？如两面加热，要达到相同的中心温度需要多少时间？（12分）答：（1）单面加热：单面加热相当于一块厚为20cm的钢板两面对称加热，0.1lm。题给钢板的中心处相当于50.510x（1分）热扩散率为：52802.2310/7800460amsc（1分）参量50222.231020602.6760.1aFl（1分）1801.65000.1iBhl(1分)查表得:00.25m,0.86m(2分)则钢板中心的相对过余温度为:000.860.250.215mm(1分)钢板的中心温度为:00.215()8000.215(20800)632.3mttttC(1分)(2)两面加热:相当于一块厚为10cm的钢板两面对称加热，0.05lm。(1分)1803.25000.05iBhl(1分)中心过余温度为:00.25m(1分)查表得05F(1分)两面加热，要达到相同的中心温度需要时间:220550.05560.59.34min2.2310Flsa(1分)5.简述NuBi数和数的定义式及物理意义。两者有何区别?（8分）答:虽然两者都表示边界上的无量纲温度梯度,ihlB，uhlN（4分）但一个在流体侧,一个在固体侧。uN中的L为流场的特征尺寸，λ为流体的导热系数。iB中的L为固体系统的特征尺寸，λ为固体的导热系数。（4分）6．对于管内强制对流换热，可以采用何种方式强化流体的换热？为什么？（10分）答:可通过长管改为分段的短管或者采用螺旋管都可以强化流体的换热.(4分)因为长管改为分段的短管应考虑入口效应,其对流换热系数更大.采用螺旋管,在横截面上引起二次环流也强化换热.(6分)7.20C空气在常压下以2/ms的速度流过平板，平板长为300mm。若平板温度为60C，试求空气流离开平板时，平板单位宽度的总放热量。（12分）答(1)特征温度:11()(6020)4022mfwtttC(2分)据此查得:32621.128/,2.7610/(),16.9610/,Pr0.699kgmWmKvms(1分)(2)雷诺数:5620.335377.451016.9610eulR(2分)属于层流.(1分)(3)对流换热系数:1/21/31/21/30.6640.66435377.40.669109.23uerNRP(2分)22109.232.761010.05/()0.3uNhWmKl(2分)（4）所需管长为：()10.0510.3(6020)120.6wfhlttw(2分)8.空气横向掠过12排管子组成的叉排加热器，管外径d=25mm，管间距S1=50mm，S2=45mm，管束的最窄截面处流速u=5m/s，空气平均温度ft=60℃，管壁温度为120℃，试求管束平均换热系数。如管束改为顺排，其他条件不变，则换热系数为多少？（12分）答(1)叉排时：特征温度:60ftC据此查得:32621.06/,2.910/(),18.9710/,Pr0.696,Pr0.686fwkgmWmKvms(2分)雷诺数:650.0256589.3518.9710eudR(2分)对流换热系数:12501.11245ss0.250.250.20.60.360.20.60.36120.6960.350.351.116589.350.69661.570.686rfufefrrwsPNRPPs(2分)查的12排的修正系数为0.9862261.572.9100.98670.42/()0.025ufNhWmKd(2分)（2）顺排：0.250.250.630.360.630.360.6960.270.276589.350.69660.550.686rfufefrrwPNRPP(2分)查的12排的修正系数为0.9872260.552.9100.98769.32/()0.025ufNhWmKd(2分)9.不凝结气体含量如何影响了蒸汽凝结时的对流换热系数值？其影响程度如何？凝汽器如何解决这个问题？（8分）答：（1）因在工业凝汽器设备的凝结温度下，蒸汽中所含有的空气等气体是不会凝结的，故称这些气体成分为不凝结气体。当蒸汽凝结时，不凝结气体聚积在液膜附近，形成不凝结气体层，远处的蒸汽在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过这个气体层，这就使凝结换热过程增加了一个热阻，即气相热阻，所以对流换热系数降低。（4分）（2）在一般冷凝温差下，当不凝结气体含量为1%时，换热系数将只达纯净蒸汽的40%左右，后果是很严重的。（2分），（3）这是凝汽器必须装设抽气器的主要原因之一。（2分）