(完整版)流体力学与传热学试题及答案

流体力学与传热学试题及参考答案一、填空题：（每空1分）1、对流传热总是概括地着眼于壁面和流体主体之间的热传递，也就是将边界层的和边界层外的合并考虑，并命名为给热。答案：热传导；对流传热2、在工程计算中，对两侧温度分别为t1,t2的固体，通常采用平均导热系数进行热传导计算。平均导热系数的两种表示方法是或。答案；221；221tt3、图3-2表示固定管板式换热器的两块管板。由图可知，此换热器为管程，管程流体的走向为或。123图3-23-18附图答案：4；24153；351424、黑体的表面温度从300℃升至600℃，其辐射能力增大到原来的倍.答案:5.39分析:斯蒂芬-波尔兹曼定律表明黑体的辐射能力与绝对温度的4次方成正比,而非摄氏温度,即4273300273600=5.39。5、3-24用0.1Mpa的饱和水蒸气在套管换热器中加热空气。空气走管内，由20℃升至60℃，则管内壁的温度约为。答案：100℃6、热油和水在一套管换热器中换热，水由20℃升至75℃。若冷流体为最小值流体，传热效率0.65，则油的入口温度为。答案：104℃分析：ε=2020751T=0.651T=104℃123457、因次分析法的基础是，又称因次的和谐性。答案：因次的一致性8、粘度的物理意义是促使流体产生单位速度梯度的_____________。答案：剪应力9、如果管内流体流量增大1倍以后，仍处于滞流状态，则流动阻力增大到原来的倍。答案：210、在滞流区，若总流量不变，规格相同的两根管子串联时的压降为并联时的倍。答案：411、流体沿壁面流动时，在边界层内垂直于流动方向上存在着显著的_______________，即使____________很小，____________仍然很大，不容忽视。答案：速度梯度；粘度；内摩擦应力12、雷诺数的物理意义实际上就是与阻力有关的两个作用力的比值，即流体流动时的______与______之比。答案：惯性力；粘性力13、滞流与湍流的本质区别是。答案：滞流无径向运动，湍流有径向运动；二、问答题：（每小题8分）1、工业上常使用饱和蒸汽做为加热介质而不用过热蒸汽，为什么？答：使用饱和蒸汽做为加热介质的方法在工业上已得到广泛的应用。这是因为饱和蒸汽与低于其温度的壁面接触后，冷凝为液体，释放出大量的潜在热量。虽然蒸汽凝结后生成的凝液覆盖着壁面，使后续蒸汽放出的潜热只能通过先前形成的液膜传到壁面，但因气相不存在热阻，冷凝传热的全部热阻只集中在液膜，由于冷凝给热系数很大，加上其温度恒定的特点，所以在工业上得到日益广泛的应用。如要加热介质是过热蒸汽，特别是壁温高于蒸汽相应的饱和温度时，壁面上就不会发生冷凝现象，蒸汽和壁面之间发生的只是通常的对流传热。此时，热阻将集中在靠近壁面的滞流内层中，而蒸气的导热系数又很小，故过热蒸汽的对流传热系数远小于蒸汽的冷凝给热系数，这就大大限制了过热蒸汽的工业应用。2、下图所示的两个U形管压差计中,同一水平面上的两点A、B或C、D的压强是否相等？DABC水P1P2水银图1－11－1附图ABCDppP1P2水h1空气答：在图1—1所示的倒U形管压差计顶部划出一微小空气柱。空气柱静止不动，说明两侧的压强相等，设为P。由流体静力学基本方程式：11ghghppA水空气11ghghppB空气空气空气水∴BApp即A、B两点压强不等。而1ghppC空气1ghppD空气也就是说，Cp、Dp都等于顶部的压强p加上1h高空气柱所引起的压强，所以C、D两点压强相等。同理，左侧U形管压差计中，BApp而DCpp。3、容器中的水静止不动。为了测量A、B两水平面的压差，安装一U形管压差计。图示这种测量方法是否可行？为什么？答：如图1—2，取1—1/为等压面。由1'1pp可知：)(2HRgpOHB=gRHhgpHgOHA)(2ghppOHAB2将其代入上式，整理得0)(2gROHHg∵02OHHg∴0RR等于零，即压差计无读数，所以图示这种测量方法不可行。4、图1-6为典型的简单管路。设各段管径相同，液体做稳态流动。现将阀门由全开转为半开，试分析下述参数如何变化？（1）u；(2)pA；(3)pBAB11’汞hHR水图1-21-2附图图1－61－9附图Z11’2’2AB答：（1）阀门关小，其阻力系数增大，BAfh,增大，又Z1不变，即截面1流体的总机械能一定，故u减小。（2）考察1、A两个截面间的能量转换关系：由u减小知Afh1,必减小，又Z1不变，故PA增大。（3）在管段B、2之间做能量衡算：u减小，2,Bfh减小，又P2不变，故PB将减小。三、计算题：（每小题12分）1、某固体壁厚b=500mm,其导热系数mW/(0.1℃)。已知壁的一侧流体温度Ｔ＝230C,其对流传热系数a1=50W/(m.℃);另一侧流体温度t=30℃,对流传热系数/(1002Wm2℃).若忽略污垢热阻，试求：（1）热通量q;（2）距热壁面２５mm处的壁温tx。?xt解：方法一先求热通量，然后以（Ｔ－tx）为传热推动力，（ba11）为对应热阻，求出xt。即将热流体与壁面对流传热与xb厚壁面的导热综合考虑。T2a1a图3-1bT（1）热通量q21111abaK=2(53.0100115.0501m℃)/Wq=2/37853.0302301mWKtAQ(2)壁温xtq=xxbatTKt111)1(1xxbqTt=230-378()1025.0501=213℃2、将一铜球投入T=350C的恒温油槽中。已知铜球的初始温1t=20C，质量m=1kg，表面积01.0A2m，比热容c=0.406CkgkJ/,油与球外表面的对流传热系数=60W/(2m)C。设可忽略铜球内部的导热热阻，求6min后铜球的温度2t。分析：铜球投入油中后，随即开始吸热升温过程。由于油温不变，随着球温上升，传热推动力即温差减小，传热速率下降。而传热速率下降反过来又影响铜球的吸热，使得球温上升速度渐减。所以铜球与油品之间的传热为一非定态传热过程。解：设t为铜球的瞬时温度，d秒时间内，球温升高dt摄氏度。铜球的吸热速率为ddtcmQa油对铜球的传热速率为tTAQb由题意，式a=式b，即tTAddtmc分离变量tTdtAmcdc对c式进行积分213600tttTdtAmcd故tTAmcln12tt代入已知数2335020350ln01.06010406.01360tCt15626min后铜球升至156℃。4、用泵将5℃的水从水池吸上，经换热器预热后打入某容器。已知泵的流量度1000kg/h,加热器的传热速率为11.6W，管路的散热率为2.09kw,泵的有效功率为1.2kw。设池面与容器的高度不变，求水进入容器时的温度。分析：本系统对水提供能量的来源有二：泵和加热器。泵所提供的能量除使水的机械能增加外，其余部分则因克服流动阻力而转化为热能。这部分热能和加热器加入的热能，一部分散失到环境中，一部分被水吸收转化为内能使水温升高。如果设法求出水的内能增加值，该问题就迎刃而解。解：方法一(1)水的内能增加值如图3-3，以0-0'面为基准面，列1-1’.2-2’截面间的柏努利方程式，以表压计。10m22’00’11’图3-310m22’00’11’4m图3-3121112UQWupgZe222222UupgZ式中21,UU——截面１，２水的内能，J/Kg；Q——加热器加入的热量，J/Kg。已知ouu21021ppmZ41mZ102将其代入上式，整理得QWZZgUUe)(2112传热速率：kWQ51.909.26.11可写成kgJQ/1042.3100036001051.943泵对水加入的能量：kgJWe/1032.410003600102.143水的内能增加值：kgkJkgJU/4.38/1084.31042.31032.4)104(81.9443（２）水温取水的比热容为)/(19.4CkgkJ，则水进入容器时的温度为Ct2.141019.41084.3534方法二可先求水在单位时间吸收的热量，然后求水温。这个热量由两部分组成：一是加热传递的热量，再就是因克服流动阻力由机械能转化成的热量。（１）水的吸热速率以0-0`面为基准面，列1-1`、2-2`截面间的柏努利方程，以表压计。fehupgZWupgZ2222222111已知021pp021uumZ41mZ102化简efWgZZh)(21kgJWe/1032.410003600102.133∴kgJhf/1018.41032.481.9)104(33因流动阻力而产生的热量为：Whf331016.1360010001018.4水的吸热速率：kWQ7.101016.110)09.26.11(33(2)水温Ct2.141019.4100036001007.15344、某敞口贮油槽中装有深度h为3m的机油，从直径d为3m的油槽底部小孔中排出。小孔的面积A2为0。0022m。假设油品自小孔排出时的流量系数6.00C，试求:（1）机油自小孔排出时的初始流量;（2）油面降至1m时所需的时间。分析：随着机油的流出，油面不断下降，出口的流速和流量也不断变化。对于此类不定态流动，柏努力方程并不适用。但在本例中，小孔的截面积远小于贮油槽的截面积，液面高度的变化很缓慢，各流量参数随时间的变化率亦很小，故可做拟定态处理，仍可通过柏努力方程式求解。解：(1)如图1-22,以油槽液面为1－1、截面，以油槽底部'22截面为基准面，列'11、'22截面间的柏努力方程式，以表压计。2222222111upgZupgZ由题意mZ3102Z01u021pp将以上数据代入柏努力方程式，化简得：2221ugZ将0C引入smgZCu/06.481.9326.02102初始流量hmsmAuVs/1.33/102.9002.006.433322h11’22’图3-4(2)机油降至1m时所需时间由质量衡算：流入贮槽的油量与流出槽流量之差应等于贮槽内油品的累积速率：ddhDuA22240将ghCu202代入上式,整理得dhhgCAdd2/10224将md3，22002.0mA，6.00C代入上式并积分，得132/12081.926.0002.043dhhdhsh54.01947|266031油面降至1m时所需时间为0.54h。