2006-2007《_传热学_》试题

2006-2007《传热学》试题1．为测量储气罐里的气体温度，在储气罐壁上装设一支有充油套管保护的温度计（如右图所示）。简要分析温度计套管对测量误差的影响，并说明减少测量误差的途径或方法。2．试建立第三类边界条件下、二维稳态导热问题平直边界节点的差分方程，并画出相应网格节点图。设物体为常物性，有内热源为（常数）。3．试说明用有限差分法进行导热数值计算的基本思想和方法。4．写出单相流体对流换热各无量纲准则数的定义式，说明其物理意义。5．请说明相似原理的主要内容，它们分别解决了什么问题？6．何为烧毁点？试结合大容器饱和沸腾曲线说明其实际应用意义。7．请说明热辐射的基本定律，它们分别解决了什么问题？8．在圆筒壁外敷设保温层后，有时会增加其散热损失，这是为什么？9．根据你所学习的传热学知识，说明强化传热的基本途径、方法。10．某电站凝汽器工作一段时间后，出现了汽轮机机组背压上升（凝汽器真空度下降）的问题，试从传热学角度解释其产生的可能原因。2006-2007《传热学》试题参考答案1．如右图所示，测温套管可以看成是一个从容器壁面伸展出来的肋片。其测量端部温度可表示为：2．xyqwqw0000001()()()12()(2)(2)2(1)(1)HfHffHfHfffttttchmHttttchmHttttchmHtttchmHHhPhhhmAmH得到：要减少（），必须减少（），增加；）要减少（），必须提高加强根部保温；）要增加，增加增加套管长度；增加需增加加强套管与流体的对流换热，提高h；采用小的材料作套管；采用薄套管（只要工艺允许）减小。1,,,1,,1,,2202mnmnwmnmnmnmnmnttyyqxttttxxyyxΦyxy将第三类边界条件代入即可。3．把原来在时间、空间坐标系中连续的物理量场（如温度场），用有限个离散点上的值的集合来代替，通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代数方程，来获得离散点上被求物理量的值。这些离散点上被求物理量值的集合成为该物理量的数值解。物理问题----简化成数学描写（方程，边界条件，初始条件）---方程离散（得出一系列代数方程）---求解代数方程---问题的解（温度场及延伸结果）---必要的讨论其中的关键：方程离散建立离散方程的基本方法主要有：（1）Taylor展开法（2）能量平衡法（热平衡法）4．称为雷诺数（准则），表征了给定流场的惯性力与其黏性力的对比关系。，也就Pr/a称为普朗特（Prandtl）数（准则），它反映了流体的动量扩散能力与其能量扩散能力的对比关系。称为努谢尔特（Nusselt）数（准则），壁面上无量纲温度梯度的度量，它反映了给定流场的换热能力与其导热能力的对比关系。这是一个在对流换热计算中必须要加以确定的准则。称为格拉晓夫数，反映了自然对流的流体中，流体的浮升力与粘性力的相对大小，进而反映了自然对流流态对换热的影响。2,1,,1,1,242mnmnwmnmnmnxxttqttΦ,()wfmnqhttReuLuLNuhL32rgtlG000ywwyYthtytttthlNuylY5．凡同类现象，若单值性条件相似，同名已定准则相等，则必相似。相似原理的主要内容回答了关于试验的三大问题：（1）实验中应测哪些量（是否所有的物理量都测）：测量准则数中的有关量；（2）实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）：按照准则数间的幂函数关系整理；（3）解决了实物试验很困难或太昂贵的情况下，如何进行试验的问题，也即解决了所得实验关联式推广应用的条件：实验结果可推广到与实验条件相似的所有同类物理现象。6．大容器饱和沸腾曲线表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：实践上，热流密度的峰值qmax有重大意义，它被称为临界热流密度(CHF，英语CriticalHeatFlux之缩写)。对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备，如电加热器、锅炉水冷壁、对冷却水加热的核反应堆，一旦热流密度超过蜂值，工况将沿qmax虚线跳至稳定膜态沸腾线，t将猛升至近1000℃，可能导致设备的烧毁，所以必须严格监视并控制热流密度，确保在安全工作范围之内。也由于超过它可能导致设备烧毁，所以qmax亦称烧毁点。对于蒸发冷凝器等壁温可控的设备，这种监视也是重要的。因为一旦q超过转折点之值，就可能导致膜态沸腾，在相同的壁温下使换热量大大减少，从而换热效率下降。7．热辐射的基本定律主要指黑体辐射的基本定律。黑体辐射能量按波长分布服从普朗克定律；按空间方向的分布则服从兰贝特定律；qmaxqminPlanck定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的能量沿波长分布的规律，即只对方向积分，但研究的是某一波长；Stefan-Boltzmann定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的全部波长的能量，即对方向和波长都积分的结果；Lambert定律：描述物体在某一温度下所辐射的全部波长的能量沿半球空间方向上的分布规律，即只对波长积分，但研究的是某一方向。对黑体而言，辐射强度是常数进一步的，包括基尔霍夫定律，它表明了实际灰体（甚至实际物体）的吸收特性：对投射辐射的波长无选择性。8．在圆筒壁外敷设保温层后，有时会增加其散热损失，这是因为：可见，保温层使得导热热阻增加，换热削弱；另一方面，降低了对流换热热阻，使得换热赠强，那么，综合效果到底是增强还是削弱呢？这要看d/ddo2和d2/ddo22的值。do2在do1~dcr之间，是增加的，当do2大于dcr时，降低。当保温层的直径小于dcr(Bi2)时，加保温层反而增强散热。只有当保温层直径大于dcr(Bi2)时，加保温层才会削弱散热。9．当需要强化一个传热过程时，应当首先判断哪一个传热环节的分热阻最大，针对这个传热分热阻采取强化措施收效最显著。目前采取的强化手段可大致分为无源技术(又称为被动式技术)及有源技术(又称为主动式技术)两大类。强化传热的无源技术，是指除了输送传热介质的功率消耗外不再需要附加动力的技术；而强化传热的有源技术则是需要采用外加的动力(机械力、电磁力等)的技术。无源技术包括以下一些手段：(1)涂层表面(2)粗糙表面(3)扩展表面(4)扰流元件(5)涡流发生器(6)螺旋管(7)添加物(8)冲击射流换热(9)换热器尽可能逆流布置有源强化技术包括：(1)对换热介质作机械搅拌；2122111)ln(21)ln(211)(ooooioiifofidhdddddhttlΦ(2)使换热表面振动；(3)使换热流体振动；(4)将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合；(5)将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走。不少有源强化技术目前还主要处于实验室研究阶段，其应用范围不如无源强化技术那样广泛。对于无相变的对流换热，凡是能减薄边界层，促使流体中各部分混合(特别是换热壁面附近流体的扰动与混合)的措施都能强化换热。还可通过改变流体物性来强化换热，如：1）可改风冷改为水冷；2）可在流体中加添加剂；3）可使流体发生相变。对于核态沸腾，强化换热的关键在于增加汽化核心，而对膜状凝结则是要减薄液膜及加速凝结液膜的顺利排泄。对辐射换热问题，强化主要是增加换热物体表面的发射率，改变物体表面间的相对位置，当然提高温度也是一种方法。10．某电站凝汽器工作一段时间后，出现了汽轮机机组背压上升（凝汽器真空度下降）的问题，从传热学角度解释，其产生的可能原因有：从循环水侧看，可能出现了管内结垢而传热恶化，导致冷却能力下降，凝结水温升高，机组背压上升；从蒸汽侧看，可能是凝汽器密封不严，不凝结气体（空气）进入，从而导致传热恶化，凝汽器真空度下降；也可能是出现凝汽器水管腐蚀，出现泄漏现象而导致的。