传热学基本题-解答

1传热学基本题—解答1导热理论基础1-1解析：干燥的红砖λ≈0.35W/(m⋅K)，空气λ≈0.025W/(m⋅K)，水λ≈0.6W/(m⋅K)，冰λ≈2.2W/(m⋅K)。干燥的空气红砖是由红砖和空气夹层复合而成，因此导热系数最小，热阻最大。答案：C1-2解析：柱坐标系的导热微分方程表达式为211()()()vttttcqrrrrzzρλλλτφφ∂∂∂∂∂∂∂=+++∂∂∂∂∂∂∂本问题是圆柱坐标系下沿半径方向的有内热源的一维的稳态导热，上述方程中左边项、右边第二、第三项都为零，偏导数改为倒数后，导热微分方程为：1()0vddtqrdrdrλ+=答案：B1-3解析：本题的边界条件为第三类边界条件，表达式为()fwwtthnt−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂−λ答案：A1.4解析：表1典型材料导热系数的数值范围名称导热系数[W/(m·K)]纯金属50--415合金12--120非金属固体1--40液体（非金属）0.17--0.7绝热材料0.03--0.12气体0.007--0.17纯金属的导热系数银铜铝铁，钢铁是合金。答案：D1-5解析：空气热导率随温度升高而增大。答案：A。1-6解析：一维导热中，傅里叶定律的表达式：dtqdxλ=−，或dtAdxλΦ=−热流密度是单位面积的热流量，在傅里叶定律表述中，与温度梯度成正比，与传热面积无关。答案：A2稳态导热2-1解析：对于圆筒型材料散热问题，内侧温度变化率较大，故将导热系数较小的材料布置在内侧，将充分发挥其保温作用。答案：A2-2解析：忽略水蒸汽与管道内壁的对流换热热阻、忽略管道材料本身的导热热阻。设保温材料厚度为δ，则1212ln2lttqddδπλ−=+，3005015011332ln20.05133δπ−=+×，得δ=45.76mm2答案：B2-3解析：根据一维平壁稳态导热公式12wwttAλδ−Φ=，得出1210.030.05()0.02(6030)wwAttδλΦ×===−×−W/(m·K)答案：B2-4解析：当导热系数不是常数，是温度的函数，0(1)btλλ=+，温度分布为二次曲线，如图中b0和b0的线。答案：B2-5解析：由于电缆外面包敷的绝缘层的临界热绝缘直径是大于电缆外径的，绝缘层不仅能起电绝缘作用，还减少热阻，有加强电缆散热作用。若剥掉电缆的绝缘层而保持其它条件不变，电缆的热阻增加，温度升高。答案：A2-6解析：长物性无内热源一维稳态导热，热流密度是常数，热流密度等于温差与所对应的热阻之和的比值，根据本题已知条件可写成1111ioABoiABABBAiABoBoiAttttttqhhhhδδδδλλλλ−−−===+++++答案：C2-7解析：忽略水蒸汽与管道内壁的对流换热热阻、忽略管道材料本身的导热热阻。设保温材料厚度为δ，则1230050149.38Wm1210.13320.046lnln220.050.133lttqddδπλπ−−==≈++××答案：B2-8解析：12211ln2lttqddπλ−=，12211ln2ttdldπλ−Φ=；根据题意知，圆柱内外径已知，长度不确定，则单位长度热流量lq为常数答案：C2-9解析：对于圆柱壁材料散热问题，壁面内侧温度变化率较大，故将导热系数较小的材料布置在内层，将充分发挥其保温作用。答案B。2-10解析：长物性无内热源一维稳态导热，热流密度是常数，热流密度等于温差与所对应的热阻之和的比值，根据本题已知条件可写成121212121212mmttttttqδδδδλλλλ−−−===+答案：D2-11解析：220.120.02m20mm12inscoutdhλ×====答案：B33非稳态导热3-1解析：0exp()exp()rhAcVτθθτρτ=−=−；当rττ=，00()exp(1)0.368()tttttt∞∞∞−=−−=×−00.3680.632ttt∞=+答案：D3-2解析：0lnhAcVθτθρ=−，003lnln7075ln157530534886003430.006fftthAhcVttcRsθτθρρτ⎛⎞−⎛⎞⎛⎞⎛⎞=−=−⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟−⎝⎠⎝⎠⎝⎠⎝⎠−−==×−××答案：B3-3解析：采用集总参数法计算物体非稳态导热过程时，计算式为exp()oVVBiFoθθ=−，此公式中的BiV和FoV中的特征长度L的确定：不规则物体)()/(散热面积体积FVL=；对于无限长柱体/2LVFR==，对于圆球体/3LVFR==；对于无限大平板δ=L，δ为平板厚度的一半。（注意：判断是否可用集总参数法，采用Bi0.1，Bi中的特征长度l的确定：不规则物体()/()lVF=体积散热面积；对于无限长柱体或圆球体lR=；对于无限大平板δ=L，δ为平板厚度的一半。）答案：D4导热问题数值解4-1解析：列节点4的热平衡方程342414022ttttttxxyxyyλλλ−−−ΔΔΔ++=ΔΔΔyxΔ=Δ，整理上式得到：0424321=−++tttt答案：B4-2解析：列节点4的热平衡方程342414022wttttttxxyqyxyyλλλ−−−ΔΔΔ+++Δ=ΔΔΔyxΔ=Δ，整理上式得到：02424321=Δ+−++λyqttttw答案：B4-3解析：列节点4的热平衡方程3424140222vttttttxxxyqyxyyλλλ−−−ΔΔΔΔ+++Δ=ΔΔΔyxΔ=Δ，整理上式得到：1234240vqxyttttλΔΔ++−+=答案：D4-4解析：无内热源，长物性一维非稳态导热的微分方程为42ttaxτ∂∂=∂∂，对时间域采用显式格式写出差分方程：11122kkkkkiiiiitttttaxτ+−+−+−=ΔΔ整理为()()111Fo12Fokkkkiiiitttt+−+=++−，由此可知显式差分格式的稳定性条件12Fo0−≥，则1Fo2≤答案：C4-5解析：一般常用的离散格式方式有级数展开法和热量守恒法两种。中心节点这两种方法都可以，边界节点只适合热量守恒法，不适用技术展开法。答案：A4-6解析：如图，用热平衡法建立常物性无内热源一维非稳态导热第三类边界条件下边界节点由热平衡法的显示差分格式的离散方程为()12111f12kkkkkkttttxAAhttAcxλρτ+−−Δ+−=ΔΔ()()112f12FoBi12BiFo2Fokkkktttt+=++−−由此可知显式差分格式的稳定性条件12BiFo2Fo0−−≥，则1Fo2Bi2≤+答案：C4-7解析：列节点1的热平衡方程31211()02222fttttyxxyhttxyλλ−−ΔΔΔΔ⎛⎞++−+=⎜⎟ΔΔ⎝⎠yxΔ=Δ，整理上式得到：ftxhtttxhλλΔ++=⎟⎠⎞⎜⎝⎛Δ+212321答案：D5对流换热分析5-1解析：层流是流体层与层之间无质量交换，因此层流对流换热是靠垂直于流动方向的流体的导热进行的。湍流是流体层与层之间有质量交换，也就有能量交换、动量交换，流体有横向脉动；另外湍流时速度要大于层流，对流输送能量的增加。因此紊流对流换热系数高于层流是由于对流输送能量的增加和流体横向脉动的共同作用。答案：D5-2解析：1/3tPrδδ−=答案：B5-3解析：2/3f2CStPr⋅=答案：B5-4解析：自然对流的准侧关联式为()NuGrPr(GrPr)nf,C==⋅答案：C5-5解析：温度为∞t的空气以速度∞u掠过温度恒为wt的平壁时的层流受迫对流传热的准侧关联式为：1213Nu0.332RePrxx=，展开12130.332Prxuxhxλν∞⎛⎞=⎜⎟⎝⎠，所以)21(−∝xhx答案：D5-6解析：对流换热的求解方法大纲要求知道三种：分别是分析法、类比法和实验法。5分析法包括微分方程组求解和积分方程组求解。所有方法中，只有微分方程组的解是精确解，其他方法都是近似值。答案：A5-7解析：根据边界层的特性，随着板长度增加，边界层厚度增加，当流动长度较大时，边界层内可以出现湍流边界层。答案：B6单相流体对流换热及准则关系式6-1解析：根据边界层的特性，流体外掠圆管的受迫对流传热时，圆管表面上自前驻点开始到边界层脱体点之间，层流边界层的厚度随着流动增加，因此对流传热系数不断减小。答案：A6-2解析：水力粗糙管内粗糙度的增加，边界层中层流底层变薄，对流换热增强。答案：B6-3解析：热面在下，夹层中会形成有下而上的对流换热，第三种和第四种情况相同，热冷流体间会形成环流。答案：A6-4解析：壁面粗糙度的增加，边界层中层流底层变薄，对流换热增强。答案：B6-5解析：第一种情况冷面在下，热面在上，冷热流体间不会有对流换热；第二种情况热面在下，夹层中会形成有下而上的对流换热，第三种和第四种情况相同，热冷流体间会形成环流。答案：A6-6解析：弯管中的二次流现象，增加了流体在弯管中的紊乱度，无论是液体还是气体都会增大对流换热系数。答案：A6-7解析：在充分发展的管内单相流体受迫层流流动中，4.36()3.66()wNuqconstNutconst====答案：C6-8解析：理论和实验的研究都证明：无限大空间竖壁自然对流换热，当壁面温度为定值或壁面热流密度为常数，随着边界层的扩展，从层流发展到旺盛紊流，局部表面传热系数xh将保持不变。答案：B6-9解析：管内受迫定型流动过程，即流动充分发展段，其特征是速度分布保持不变。如果有换热时，将达到热充分发展段，其特征是常物性流体，表面传热系数保持不变。答案：B6-10解析：如图所示：答案：C67凝结与沸腾换热7-1解析：蒸汽中的不凝结气体会严重影响凝结换热，使换热强度下降很严重。答案：B7-2解析：竖壁膜状层流换热，14231.13()swgrhlttρλμ⎡⎤=⎢⎥−⎣⎦，()14hl−∞，壁越长，液膜越厚，凝结换热越差。答案：B7-3解析：珠状凝结换热系数比膜状凝结换热系数高10倍左右。答案：B7-4解析：竖壁膜状层流换热，14234()swgrhxttρλμ⎡⎤=⎢⎥−⎣⎦，()14hx−∞答案：B7-5解析：珠状凝结换热系数比膜状凝结换热系数高10倍左右。蒸汽中有油，或有氮气（氮气属于不凝性气体），或液膜增厚，凝结换热都会变差。答案：D7-6解析：影响膜状凝结的主要因素有：蒸汽速度、不凝性气体、表面粗糙度、蒸汽含油、蒸汽的过热度。答案：A7-7解析：产生的气泡能够存在而不消失的条件()2/vlppRσ−=，能继续长大()2/vlppRσ−。答案：B8热辐射的基本定律8-1解析：在局域热平衡条件下，漫灰表面的吸收率等于吸收率。漫射表面定向辐射强度符合兰贝特余弦定律。在可见光的范围，黑色的物体比白色的物体吸收率要高。实际物体的的吸收率与其所接受的辐射源有关。答案：C8-2解析：根据维恩位移定律2897.6μmKmTλ=⋅答案：D8-3解析：48425.6710(273300)6112bETWmσ−==××+=答案：B8-4解析：发射率的定义bEEε=，bEEε=。答案：C8-5解析：实际物体在各个方向上的发射率有所不同。答案：D8-6解析：实际物体的吸收率等于物体所处同温度下它的发射率。答案：C8-7解析：绝对温度大于0K的物体都会有热辐射。答案：A8-8解析：热辐射波长范围为0.1~100μm，其中：0.1μm≤λ0.38μm为紫外线；0.38μm≤λ≤0.76μm为可见光；0.76μmλ≤100μm为红外线。7答案：C9辐射换热计算9-1解析：由于温度计裸露在空气，温度计一方面与室内空气进行对流换热，还会与周围的墙壁进行辐射换热，由于是冬季，室内温度高于室内内墙表面温度，温度计与墙壁的辐射换热是温度计向墙壁散热，温度计的度数低于空气温度。答案：B9-2解析：管道与周围墙壁的辐射散热量为b1b21212111,2122111EEAXAAΦεεεε−=−−++，，由于A1≤A2，则()1,211b1b2AEEΦε=−，ε1越小，Φ1,,2越小。铝箔的发射率很小。安装铝箔套筒，相当于多加一层铝箔遮热板，隔热效果更好。答案：D9-3解析：管道与周围墙壁的辐射散热量为b1b21212111,212211