材料加工冶金传输原理习题答案(吴树森版)

1、第1章 流体的主要物理性质1-1何谓流体，流体具有哪些物理性质？ 答：流体是指没有固定的形状、易于流动的物质。它包括液体和气体。流体的主要物理性质有：密度、重度、比体积压缩性和膨胀性。2、在图3.20所示的虹吸管中，已知H1=2m，H2=6m，管径D=15mm，如果不计损失，问S处的压强应为多大时此管才能吸水?此时管内流速2及流量Q各为若干?(注意：管B端并未接触水面或探入水中) 解：选取过水断面1-1、2-2及水平基准面O-O，列1-1面(水面)到2-2面的贝努利方程 图3.20 虹吸管再选取水平基准面O-O，列过水断面2-2及3-3的贝努利方程 (B) 因V2=V3 由式(B)得 5、有一

2、文特利管(如下图)，已知d1 =15cm，d2=10cm，水银差压计液面高差Dh =20cm。若不计阻力损失，求常温(20)下，通过文氏管的水的流量。解：在喉部入口前的直管截面1和喉部截面2处测量静压力差p1和p2，则由式可建立有关此截面的伯努利方程：根据连续性方程，截面1和2上的截面积A1和A2与流体流速v1和v2的关系式为所以 通过管子的流体流量为 用U形管中液柱表示，所以(m3/s)式中 、被测流体和U形管中流体的密度。如图6-317(a)所示，为一连接水泵出口的压力水管，直径d=500mm，弯管与水平的夹角45°，水流流过弯管时有一水平推力，为了防止弯管发生位移，筑一混凝土镇

3、墩使管道固定。若通过管道的流量0.5m3/s，断面1-1和2-2中心点的压力p1相对=108000N/，p2相对=105000N/。试求作用在镇墩上的力。解 如图6317(b)所示，取弯管前后断面11和2-2流体为分离体，现分析分离体上外力和动量变化。设管壁对流体的作用力R，动量方程在x轴的投影为：则动量方程在x轴的投影为：镇墩对流体作用力的合力R的大小及方向为：流体对镇墩的作用力P与R的大小相等方向相反。4.2 温度T=5的水在直径d100mm的管中流动，体积流量Q=15L/s，问管中水流处于什么运动状态?解：由题意知：水的平均流速为： 查附录计算得T=5的水动力粘度为根据雷诺数公式 故为湍

4、流。4.3 温度T=15，运动粘度0.0114cm2/s的水，在 直径d=2cm的管中流动，测得流速v=8cm/s，问水流处于什么状态?如要改变其运动，可以采取哪些办法?解：由题意知： 故为层流。 升高温度或增大管径d均可增大雷诺数，从而改变运动状态。第五章 边界层理论5.2流体在圆管中流动时，“流动已经充分发展”的含义是什么？在什么条件下会发生充分发展了的层流，又在什么条件下会发生充分发展了的湍流？答： 流体在圆管中流动时，由于流体粘性作用截面上的速度分布不断变化，直至离管口一定距离后不再改变。进口段内有发展着的流动，边界层厚度沿管长逐渐增加，仅靠固体壁面形成速度梯度较大的稳定边界层，在边界

5、层之外的无粘性流区域逐渐减小，直至消失后，便形成了充分发展的流动。当流进长度不是很长（l=0.065dRe)，Rex小于Recr时为充分发展的层流。随着流进尺寸的进一步增加至l=25-40d左右，使得Rex大于Recr时为充分发展的湍流3常压下温度为30的空气以10m/s的速度流过一光滑平板表面，设临界雷诺数Recr=3.2*105,试判断距离平板前缘0.4m及0.8m两处的边界层是层流边界层还是湍流边界层？求出层流边界层相应点处的边界层厚度解：由题意临界雷诺数知对应的厚度为x,则 4. 常压下，20的空气以10m/s的速度流过一平板，试用布拉修斯解求距平板前缘0.1m，vx/v=0处的y，v

6、x，vy，及avx/y解：平板前缘0.1m处 故为层流边界层 又由 而 则 由速度分布与边界层厚度的关系知： 再由 由布拉修斯解知 5=0.73Pa·s、=925Kg/m3的油，以0.6m/s速度平行地流过一块长为0.5m宽为0.15m的光滑平板，求出边界层最大厚度、摩擦阻力系数及平板所受的阻力解：（1）由题意知：第七章 相似原理与量纲分析1. 用理想流体的伯努利方程式，以相似转换法导出Fr数和Eu数解： 理想流体的伯努利方程：实际系统： （1）模型系统： （2）做相似变换得 代入（2）式得上式的各项组合数群必须相等，即： 、所以，所以将上述相似变换代入上式得到弗劳德数和欧拉数得：

7、、3. 设圆管中粘性流动的管壁切应力与管径d，粗糙度，流体密度，黏度，流速有关，试用量纲分析法求出它们的关系式解法一：设有关物理量关系式为： ,其中量纲关系 因此， =解法二：由关系式知：选择d， ，V为基本物理量，则 ， ，均可由它们表示，由此得到三个无量纲参数所以由此可得准数方程：5用孔板测流量。管路直径为d，流体密度为，运动粘性系数为，流体经过孔板时的速度为v，孔板前后的压力差为p。试用量纲分析法导出流量Q的表达式。解：物理量之间的关系选择d，V为基本物理量，则，对，1=b 对,-1=-C 对，0=a-3b+c，对，1=y对，-1=x-3y+z对, -2=-z可得准数方程所以，第八章 热

8、量传递的基本概念2当铸件在砂型中冷却凝固时，由于铸件收缩导致铸件表面与砂型间产生气隙，气隙中的空气是停滞的，试问通过气隙有哪几种基本的热量传递方式？答：热传导、辐射。 注：无对流换热3在你所了解的导热现象中，试列举一维、多维温度场实例。答：工程上许多的导热现象，可以归结为温度仅沿一个方向变化，而且与时间无关的一维稳态导热现象。 例，大平板、长圆筒和球壁。此外还有半无限大物体，如铸造时砂型的受热升温（砂型外侧未被升温波及）多维温度场：有限长度的圆柱体、平行六面体等，如钢锭加热，焊接厚平板时热源传热过程。4假设在两小时内，通过152mm×152mm×13mm（厚度）实验板传导的

9、热量为 837J，实验板两个平面的温度分别为19和26，求实验板热导率。解：由傅里叶定律可知两小时内通过面积为152×152mm2的平面的热量为 873=- 得 第九章 导 热1. 对正在凝固的铸件来说，其凝固成固体部分的两侧分别为砂型（无气隙）及固液分界面，试列出两侧的边界条件。解：有砂型的一侧热流密度为 常数，故为第二类边界条件， 即0时固液界面处的边界温度为常数， 故为第一类边界条件，即 0时w=f()注：实际铸件凝固时有气隙形成，边界条件复杂，常采用第三类边界条件3. 用一平底锅烧开水，锅底已有厚度为3mm的水垢，其热导率为1W/(m · )。已知与水相接触的水垢层

10、表面温度为111 。通过锅底的热流密度q为42400W/m2，试求金属锅底的最高温度。解：热量从金属锅底通过水垢向水传导的过程可看成单层壁导热，由公式（9-11）知111， 得 =238.2 4. 有一厚度为20mm的平面墙，其热导率为1.3W/(m·)。为使墙的每平方米热损失不超过1500W，在外侧表面覆盖了一层为0.1 W/(m·)的隔热材料，已知复合壁两侧表面温 度分布750 和55 ，试确定隔热层的厚度。解：由多层壁平板导热热流密度计算公式（9-14）知每平方米墙的热损失为 得 6. 冲天炉热风管道的内/外直径分别为160mm和170mm，管外覆盖厚度为80mm的石

11、棉隔热层，管壁和石棉的热导率分别为1=58.2W/(m)，2=0.116W/(m)。已知管道内表面温度为240 ，石棉层表面温度为40 ，求每米长管道的热损失。解：由多层壁圆管道导热热流量公式（9-22）知 ,所以每米长管道的热损失为7解：查表已知8. 外径为100mm的蒸汽管道覆盖隔热层采有密度为20Kg/m3的超细玻璃棉毡，已知蒸汽管外壁温度为400，要求隔热层外壁温度不超过50，而每米长管道散热量小于163W，试确定隔热层的厚度。解：已知 查附录C知超细玻璃棉毡热导率 由圆筒壁热流量计算公式（9-20）知：得 而 得出 9. 解：UI 10. 在如图9-5所示的三层平壁的稳态导热中，已测

12、的t1,t2,t3及t4分别为600，500，200及100，试求各层热阻的比例解：根据热阻定义可知而稳态导热时各层热流量相同，由此可得各层热阻之比为 =100：300：100 =1：3：111题略 解：（参考例9-6）查表，代入式得 kk12液态纯铝和纯铜分别在熔点（铝660，铜1083）浇铸入同样材料构成的两个砂型中，砂型的密实度也相同。试问两个砂型的蓄热系数哪个大？为什么？答：此题为讨论题，砂型的蓄热系数反映的是材料的蓄热能力，综合反映材料蓄热和导热能力的物理量，取决于材料的热物性。 两个砂型材料相同，它们的热导率和比热容c及紧实度都相同，故两个砂型的蓄热系数一样大。 注：铸型的蓄热系数

13、与所选造型材料的性质、型砂成分的配比、砂型的紧实度及冷铁等因素有关！ 考虑温度影响时，浇注纯铜时由于温度较纯铝的高，砂型的热导率会增大，比热和密度基本不变，从而使得砂型蓄热系数会有所增大13试求高0.3m，宽0.6m且很长的矩形截面铜柱体放入加热炉内一小时后的中心温度。已知：铜柱体的初始温度为20，炉温1020，表面传热系数a=232.6W/（m2·），=34.9W/（m·）,c=0.198KJ/（Kg·），=780Kg/m3。解：此题为二维非稳态导热问题，参考例9.8 ，可看成两块无限大平板导热求解，铜柱中心温度最低，以其为原点，以两块平板法线方向为坐标轴，分别

14、为x，y轴。则有：热扩散率/s查9-14得，钢镜中心的过余温度准则为中心温度为=0.036*（293-1293）+1293 =1257k=98415一含碳量Wc0.5%的曲轴，加热到600后置于20的空气中回火。曲轴的质量为7.84Kg，表面积为870cm2，比热容为418.7J/(Kg·),密度为7840Kg/m3，热导率为42W/(m·)，冷却过程的平均表面传热系数取为29.1W/(m2·)，问曲轴中心冷却到30所经历的时间。（原题有误）解：当固体内部的导热热阻小于其表面的换热热阻时，固体内部的温度趋于一致，近似认为固体内部的温度t仅是时间的一元函数而与空间坐

15、标无关，这种忽略物体内部导热热阻的简化方法称为集总参数法。 通常，当毕奥数Bi<0.1M时，采用集总参数法求解温度响应误差不大。对于无限大平板M=1，无限长圆柱M=1/2，球体M=1/3。特性尺度为=V/F。经上述验算本题可以采用此方法计算温度随时间的依变关系。参阅杨世铭编传热学第二版，P105-106,公式（3-29）其中F为表面积， 为传热系数， 为时间，tf为流体温度， V为体积。代入数据得：s 第十章 对流换热1. 某窖炉侧墙高3m，总长12m，炉墙外壁温t w=170。已知周围空气温度t f=30，试求此侧墙的自然对流散热量（热流量）（注：原答案计算结果有误，已改正。）解：定性

16、温度 定性温度下空气的物理参数： ， ，特征尺寸为墙高 h=3m .则：故 为 湍 流。查表10-2，得 ， 2. 一根L/d=10的金属柱体，从加热炉中取出置于静止的空气中冷却。试问：从加速冷却的目的出发，柱体应水平还是竖直放置（辐射散热相同）？试估算开始冷却的瞬间两种情况下自然对流表面传热系数之比（均为层流）解：在开始冷却的瞬间，可以设初始温度为壁温，因而两种情形下壁面温度相同。水平放置时，特征尺寸为柱体外径；竖直放置时，特征尺寸为圆柱长度，L>d 。近似地采用稳态工况下获得的准则式来比较两种情况下自然对流表面传热系数，则有： (1) 水平放置. , , (2) 竖直放置. , 由此

17、可知：对给定情形，水平放置时冷却比较快。所以为了加速冷却，圆柱体应水平放置。3. 一热工件的热面朝上向空气散热。工件长500mm，宽200mm，工件表面温度220，室温20，试求工件热面自然对流的表面传热系数（对原答案计算结果做了修改）解：定性温度 定性温度下空气的物理参数： ， 特征尺寸， 热面朝上： 故为湍流。查表得 ， 4. 上题中若工件热面朝下散热，试求工件热面自然对流表面传热系数解：热面朝下： , 层流，查表得 5. 有一热风炉外径D=7m，高H=42m，当其外表面温度为200，与环境温度之差为40，求自然对流散热量（原答案缺少最后一步，已添加）解：定性温度 定性温度下空气的物性参数

18、为：, 依题应为垂直安装，则特征尺寸为H = 42 m., 为湍流.查表得 自然对流散热量为 67. 在外掠平板换热问题中，试计算25的空气及水达到临界雷诺数各自所需的板长，取流速v=1m/s计算，平板表面温度100（原答案计算有误，已修改）解：定性温度为(1).对于空气查附录计算得 (2). 对于水则有 ： 8. 在稳态工作条件下，20的空气以10m/s的速度横掠外径为50mm，管长为3m的圆管后，温度增至40。已知横管内匀布电热器消耗的功率为1560W，试求横管外侧壁温（原答案定性温度计算有误，已修改）解： 采用试算法 假设管外侧壁温为60，则定性温度为 查表得 ， 即: 与假设不符，故重

19、新假设，设壁温为.则定性温度 查表得 ， ， ， ，即： 与假设温度误差小于5%，是可取的。即壁面温度为79.80.10. 压力为1.013*105Pa的空气在内径为76mm的直管内强制流动，入口温度为65，入口体积流量为0.022m3/s，管壁平均温度为180，试问将空气加热到115所需管长为多少？解：强制对流定性温度为流体平均温度流体平均温度，查查附录F得 为旺盛湍流。由于流体温差较大应考虑不均匀物性的影响，应采用实验准则式（10-23或24）计算Nuf 即 =56.397质量流量散热量 因为，所以需要进行入口段修正。入口段修正系数为所需管长：11. 解：12管内强制对流湍流时的换热，若R

20、e相同，在tf=30条件下水的表面传热系数比空气的高多少倍？解：定性温度 查附录D得到: 查附录F得到： 为湍流，故相同 在该条件下，水的表面传热系数比空气高52.46倍。第十一章 辐射换热1 100W灯泡中钨丝温度为2800K，发射率为0.30。（1）若96%的热量依靠辐射方式散出，试计算钨丝所需要最小面积；（2）计算钨丝单色辐射率最大时的波长解：（1） 钨丝加热发光, 按黑体辐射发出连续光谱，将数据代入为：A1=9.2*10-5（2）由维恩位移定律知，单色辐射力的峰值波长与热力学温度的关系 m.k，当T=2800k时，=1.034*10-6m3. 一电炉的电功率为1KW，炉丝温度为847，

21、直径为1mm，电炉的效率（辐射功率与电功率之比）为0.96，炉丝发射率为0.95，试确定炉丝应多长？解：由黑度得到实际物体辐射力的计算公式知：4. 试确定图11-28中两种几何结构的角系数X12 解：由角系数的分解性得：由角系数的相对性得： 所以对于表面B和（1+A），X=1.5、Y=1.5、Z=2时，,查表得，对于表面B和A，X=1.5，Y=1.5，Z=1，,查表得，所以，。对表面（2+B）和（1+A），X=1.5，Y=2.5，Z=2，,查表得。对于表面(2+B),A,X=1.5,Y=2.5,Z=1, ,查表得,所以，由角系数的分解性, ，对表面2和A，X=1.5，Y=1，Z=1，,查表得。

22、对面2和（1+A），X=1.5，Y=1，Z=2， ，查表得，代入数据得，所以5两块平行放置的大平板的表面发射率均为0.8，温度分别为t1=527和t2=27，板的间距远小于板的宽与高。试计算（1）板1的本身辐射（2）对板1的投入辐射（3）板1的反射辐射（4）板1的有效辐射（5）板2的有效辐射（6）板1与2的辐射换热量解：由于两板间距极小，可视为两无限大平壁间的辐 射换热，辐射热阻网络如图，包括空间热阻和两个表 面辐射热阻。 =0.8，辐射换热量计算公式为 （11-29）其中J1和J2为板1和板2的有效辐射，将上式变换后得故：（1）板1的本身辐射为 （2）对板1的投入辐射即为板2的有效辐射 （3）板1的反射辐射为， 1=1- =0.2 ,（4）板1的有效辐射为 （5）板2的有效辐射为 （6）由于板1与2间的辐射换热量为： 6. 设保温瓶的瓶胆可看作直径为10cm高为26cm的圆柱体，夹层抽真空，夹层两内表面发射率都为0.05。试计算沸水刚注入瓶胆后，初始时刻水温的平均下降速率。夹层两壁壁温可近似取为100及20解：，代入数据得w，而，查附录知100 水的物性参数为代入数据得/s