传热学研究生模拟试题

第1页共4页传热学试题1一、填空题（共20分，每题2分）1.依靠流体的运动，把热量由一处传递到另一处的现象，称为热对流。2.凡平均温度不高于350℃，导热系数不大于0.12W/(m·K)的材料称为保温材料。3.对应管壁总热阻为极小值时的保温层外径称为临界热绝缘直径。4.格拉晓夫准则的物理意义表征浮升力与粘滞力的相对大小，显示子然对流流态对换热的影响；表达式Gr=23ltg。5.常物性流体管内受迫流动的充分发展段，沿管长流体的断面平均温度，在常热流边界条件下呈线性规律变化，在常壁温边界条件下呈对数曲线规律变化。6.一维常物性稳态导热物体中，温度分布与导热系数无关的条件是无内热源。7.不稳态导热采用有限差分方法求解温度场，节点的显式差分方程是采用温度对时间的一阶导数向前差分方法获得的，此差分方程具有稳定性条件。隐式差分格式是温度对时间的一阶导数采用向后差分获得，没有稳定性条件。显式差分格式中温度对位置的二阶导数采用中心差分格式获得8.减弱膜状凝结换热的主要影响因素有蒸汽含不凝结气体、蒸汽流速高且与液膜重力方向相反。9.在热辐射分析中，把光谱发射率=发射率=常数的物体称为灰体。10.有效辐射包括发射辐射和反射辐射两部分能。二、判断题，对的画√，错的画×（共10分，每小题2分）1.换热器中，冷、热流体通过换热器可能经历的最大温差是热流体进口温度与冷流体进口温度之差。（√）2.稳态温度场中，温度处处是均匀的。（×）3.无论在什么条件下，热边界层厚度与流动边界层厚度是相等的。（×）4.当外径为d2的管道采取保温措施时，应当选用临界绝缘直径dcd2。（√）5.蒸汽在水平管束外表面膜状凝结换热时，从上面数的第一排管子的平均换热系数最大。（√）三、解释名词与基本概念（20分，每小题4分）1.温度梯度在具有连续温度场的物体内，过任意一点P温度变化率最大的方向位于等温线的法线方向上，称过点P的最大温度变化率为温度梯度，温度增加的方向为正。2.接触热阻在两个直接接触的固体之间进行导热过程时，由于固体表面不完全平整的接触产生的额外的热阻。第2页共4页3.傅里叶准则及其物理意义2aFo是表征非稳态导热过程的无量纲时间。4.换热器效能表示换热器中的实际传热量与理论上最大可能的传热量之比。5.对流换热指流体与固体之间直接接触时导热与热对流同时存在的复杂热传递过程6.传热单元数NTU反映换热器传热能力的大小。四、简答及说明题（共40分，每小题8分）1.简述相似原理内容。表述了相似的性质、相似准则间的关系以及判别相似的条件，用相似模型代替实际设备进行试验，从而简化试验规模。2.写出Bi准则，说明（1）Bi＝0；（2）Bi时，无限大平壁内温度随时间变化的特征，并作图说明之。hrrBih3.为什么改变内部流动截面形状会改变换热效果？试用充分发展段紊流公式0.80.30.023RePrfffNu解释之。管内流动雷诺数udRe，d的改变会影响雷诺数，进而影响Nu、h。4.为什么太阳灶的受热面要做成黑色的粗糙表面，而辐射采暖板不涂黑色？5.试用传热学的理论解释热水瓶保温原理。第3页共4页五、计算题（60分）1.一套管式换热器，假定其传热系数为常数，冷流体的质量流量、比热、进出口温度分别为：0.2kg/s、4000J/(kg·K)、40℃和90℃；热流体的质量流量、比热、进口温度分别为：0.2kg/s、2000J/(kg·K)、200℃。试确定最大可能传热量和换热器总效能。（10分）解：由热平衡方程：)'()'(22221111ttcqttcqmm得热流出口温度最大可能传热量：)''()''(21121minminttcqttCm换热器总效能：)''()'()''()'(211121min11minminttttttCttC2.如图为一无限大平壁，在其厚度方向x，划分了n-1等份，间距均为x，其中节点n为第三类边界条件下的边界节点，大平壁中有一均匀的内热源，内热源强度为Vq（W/m3），采用不变的定步长的计算，用热平衡法建立一维不稳态导热时，节点n的节点显式差分方程，并讨论其稳定性条件。（其中,,,,pfcht皆为常数，h为对流表面传热系数，即对流换热系数）（10分）2)(2)()(11AxttcqAxAtthAxttknknpvknfknkn显式差分格式稳定性条件：1-20Fo，即212xaFo3.厚度为10cm的大平板，通过电流时大平板单位体积的发热功率为3×104W／m3，平板的一个表面绝热，另一个表面暴露于20℃的空气中。若空气与表面之间的表面传热系数（即对流换热系数）为60W/(m2.K)，平板的导热系数为3W/(m.K)，试确定稳态时平板中的最高温度。（10分）由传热微分方程：vqxtxtc得：,fthx1kk1k1nn2题图第4页共4页022vqxt→022vqxt→1Cxqxtv→2122CxCxqtv令x得：222|Cqttvwx边界条件：x=0时：0xt→1C=0x时：wxtt|由传热公式：)(fwtthxtq→fvwthqt联立：222Cqtvwfvwthqt，得：222vvfqhqtC则温度分布函数：2222vvfvxqhqtxqt，明显x=0时t最大，此时：2|20maxvvfxqhqttt4.流量为0.2kg/s的冷却水，在内径为12cm的铜管冷凝器中流过，水的进口温度为27℃，出口温度为33℃,管壁温度维持80℃，试问管长应为多少？（15分）已知：水的物性参数如下：23720.80.4430,4.174,61.810995.7,8.0510,Pr5.420.023RePrRe10ofpffffftCckJkgKWmKkgmmsNu解：常壁温时管内水与管壁平均温差：Ctttttttttofwfwfwfwm50'ln)()'(管内水定性温度：30mwfttt℃udfRe；平均流速2)2(dGu；410Ref为湍流，hlNufff4.08.0PrRe023.0计算出平均h第5页共4页由热平衡：mffptldhttGc4)'(2可求出管长。5.如右图，若半球半径为2m，底面被一直径分为2和3两部分，半球内表面1绝热；表面2为灰体，温度为400℃，发射率（黑度）为0.8；表面3为黑体，温度为200℃，1)计算角系数X1,2，X1,3，X2,1，X2,3，X3,1，X3,2。2)画出以上三个面组成的封闭系统的网络图，计算各热阻。3)稳态下，表面2与表面3的净辐射换热量。4)(不用计算)讨论稳态下，表面1与表面3有无净辐射热交换，为什么？5)(不用计算)讨论稳态下，表面1有无净辐射热交换，为什么？（15分）解：(1)11,31,2XX02,33,2XX由：12,121,2AXAX13,131,3AXAX2421RA2232RAA得：41411,33,1XX41411,22,1XX(2)2表面热阻：221AR3表面为黑体，无表面热阻1,2面空间热阻：12,12,11AXR1,3面空间热阻：13,13,11AXR(3)净辐射换热量=发射出去的－吸收的32,3312,11222AXEAXEAEbbb23,2213,11333AXEAXEAEbbb(4)1与3表面间有辐射热交换，因为1与3的角系数不为无穷大，空间热阻不为0，表面热阻均为0；总热阻不为0，且有辐射力差：13JEb(5)有，且为负。因为00332231,3321,2211AEAEAXEAXEAbbbb5题图第6页共4页传热学试题2一、填空题（共20分，每小题2分）1.传热过程是由导热、热对流、热辐射三种基本传热方式组合形成的。2.导热微分方程式是根据热力学第一定律和傅里叶定律所建立起来的描写物体的温度随空间和时间变化的关系式。3.对流换热过程是靠导热和热对流两种作用来完成热量传递的。4.气体只能辐射和吸收某一定波长范围的能量，即气体的辐射和吸收具有明显的选择性，即仅在某些波长范围内具有辐射和吸收能力,而对应波长范围称为光带。5.对服从兰贝特定律的物体，辐射力E与任意方向辐射强度I之间的关系式为E=Iπ。6.热水瓶的双层玻璃中抽真空是为了减少热水与外界的导热和热对流。7.自然对流换热在湍流条件下发生关于特征长度的自模化现象。对于自然对流紊流，展开关联式（指数为n=1/3）后，两边的定型尺寸可以消去；它表明自然对流紊流的表面传热系数与定型尺寸无关，该现象称自模化现象。利用这一特征，紊流换热实验研究就可以采用较小尺寸的物体进行，只要求实验现象的Gr·Pr值处于紊流范围。8.有效辐射包括发射辐射和反射辐射两部分能。9.不稳态导热采用有限差分方法求解温度场，节点的隐式差分方程是采用时间的向后差分方法获得的，此差分方程无条件稳定性条件。10.常物性流体管内受迫流动的充分发展段，沿管长流体的断面平均温度在常壁温边界条件下呈对数曲线规律变化。一、判断题，对的画√，错的画×（共10分，每小题2分）1.流体外掠光滑管束换热，第一排管子的平均表面传热系数最大。（×）第一排的最小2.为减少保温瓶的辐射散热，将瓶胆的两层玻璃之间抽成真空。（×）3.水在水平圆管内受迫流动，管外是空气自然对流，为强化传热应把肋片安装在圆管外表面。（√）4.由两种不同材料制成的大平壁紧密接触时进行稳态导热过程，若已知121223,tttt，则12。（√）5.有一冷凝器，饱和蒸汽在管外凝结成饱和液体，冷却水在管内流，则其平均温差mt与流动方式无关。（×）有顺流和逆流的差别121t2t3t12tx04题图第7页共4页二、解释名词与基本概念（20分，每小题4分）1.努谢尔特准则及其物理本质hlNu表征对流换热中壁面法向无量纲过余温度梯度的大小，反映对流换热的强弱。2.肋片效率：衡量肋片散热有效程度的指标，定义为在肋片表面平均温度下，肋片的实际散热量与假定整个肋片表面都处在肋基温度时的理想散热量的比值。3.定向辐射强度I：在某给定辐射方向上，单位时间、单位可见辐射面积、在单位立体角内所发射全部波长的能量。4.传热过程：热量通过三种基本传热方式从一个物体传递到其他物体的过程。三、简答及说明题（共40分，每小题8分）1.为什么潮湿的多孔材料的导热系数不但比干多孔材料的导热系数大，而且还比水的导热系数大？答：因为当材料的孔隙中有了水分（包括水蒸气）后，则孔隙中蒸汽的扩散和水分子的热传导将起主要传热作用，而水的导热系数比空气大，使潮湿的比干的多孔材料导热系数大。2.流体在管内受迫流动换热的其它条件相同时，直管和弯管（如螺旋管）何者换热强？为什么？因为在管内受迫对流换热系数与边界层厚度有关，速度边界层从管入口开始在层流时逐渐增大，使换热系数减小，而因为弯管中边界层被破坏，边界层薄，换热系数大。3.试说明Bi数的物理意义。表面上看Bi数与Nu数的表达式相同，其差别是什么？Bi表示导热体内部热阻与外部热阻的相对大小。差别：Nu数表示表面上无量纲温度梯度的大小。4.简述窗玻璃的温室效应现象。由于阳光最主要的能量波段是在可见光范围内，这些光辐射可穿透玻璃进入室内被室内物体表面吸收，使室内升温。而室内物体发出的热辐射属于中红外线波段，不能透射出窗玻璃，从而使室内不断获得净热量。5.增强传热有哪些方法？说出3种方法。最有效的措施应从何处入手？为什么？①增加流速缩短速度边界层长度；②加装肋片增大换热面和流体扰动；③增大温差来增加热流密度；最有效：从换热过程中形成热阻最大的部分入手，因为总热阻是所有部分热阻的和。第8页共4页五、计