传热学思考题及答案

1、欲索取更多考研资料,请上 北京天问教育 网站官网!第二章思考题1 试写出导热傅里叶定律的一般形式,并说明其中各个符号的意义。答:傅立叶定律的一般形式为:,其中:gradt 为空间某点的温度梯度; n 是通过该点的等温线上的法向单位矢量,指向温度升高的方向; q 为该处的热流密度矢量。2 已知导热物体中某点在 x,y,z 三个方向上的热流密度分别为 y x q q , 及 z q ,如何获得该点的 热密度矢量?答:k q j q i q q z y x +=,其中 kj i , , 分别为三个方向的单位矢量量。 3 试说明得出导热微分方程所依据的基本定律。答:导热微分方程式所依据的基本定律有:傅

2、立叶定律和能量守恒定 律。4 试分别用数学语言将传热学术语说明导热问题三种类型的边界条 件。答: 第一类边界条件: (01f t w =时, 第二类边界条件:( (02f x t w =-时 第三类边界条件: ( (f w w t t h x t-=-5 试说明串联热阻叠加原则的内容及其使用条件。答:在一个串联的热量传递过程中, 如果通过每个环节的热流量都相 n xgradt q - = =-同, 则各串联环节的总热阻等于各串联环节热阻的和。 使用条件是对 于各个传热环节的传热面积必须相等。7. 通过圆筒壁的导热量仅与内、 外半径之比有关而与半径的绝对值无 关, 而通过球壳的导热量计算式却与半

3、径的绝对值有关, 怎样理解? 答:因为通过圆筒壁的导热热阻仅和圆筒壁的内外半径比值有 关, 而通过球壳的导热热阻却和球壳的绝对直径有关, 所以绝对半径 不同时,导热量不一样。6 发生在一个短圆柱中的导热问题, 在下列哪些情形下可以按一维问 题来处理?答:当采用圆柱坐标系, 沿半径方向的导热就可以按一维问题来处理。 8 扩展表面中的导热问题可以按一维问题来处理的条件是什么?有 人认为, 只要扩展表面细长, 就可按一维问题来处理, 你同意这种观 点吗?答:只要满足等截面的直肋, 就可按一维问题来处理。 不同意, 因为 当扩展表面的截面不均时, 不同截面上的热流密度不均匀, 不可看作 一维问题。9

4、肋片高度增加引起两种效果:肋效率下降及散热表面积增加。 因而 有人认为, 随着肋片高度的增加会出现一个临界高度, 超过这个高度 后,肋片导热热数流量反而会下降。试分析这一观点的正确性。 答:错误, 因为当肋片高度达到一定值时, 通过该处截面的热流密度 为零。 通过肋片的热流已达到最大值, 不会因为高度的增加而发生变 化。10 在式(2-57所给出的分析解中,不出现导热物体的导热系数, 请你提供理论依据。答:由于式(2-57所描述的问题为稳态导热,且物体的导热系数沿 x 方向和 y 方向的数值相等并为常数。11 有人对二维矩形物体中的稳态无内热源常物性的导热问题进行了 数值计算。 矩形的一个边绝

5、热, 其余三个边均与温度为 ft 的流体发生 对流换热。你能预测他所得的温度场的解吗?答:能, 因为在一边绝热其余三边为相同边界条件时, 矩形物体内部 的温度分布应为关于绝热边的中心线对称分布。第三章思考题试说明集总参数法的物理概念及数学处理的特点答:当内外热阻之比趋于零时, 影响换热的主要环节是在边界上 的换热能力。 而内部由于热阻很小而温度趋于均匀, 以至于不需要关 心温度在空间的分布,温度只是时间的函数,数学描述上由偏微分方程转化为常微分方程、大大降低了求解难度。 在用热电偶测定气流的非稳态温度场时 , 怎么才能改善热电偶的温度 响应特性 ?答:要改善热电偶的温度响应特性, 即最大限度降

6、低热电偶的时间常 数 hA cv c =, 形状上要降低体面比, 要选择热容小的材料, 要强化热电偶表面的对流换热。试说明 ” 无限大平板 ” 物理概念 , 并举出一二个可以按无限大平板处理 的非稳态导热问题答;所谓“无限大”平板,是指其长宽尺度远大于其厚度,从边 缘交换的热量可以忽略不计, 当平板两侧换热均匀时, 热量只垂直于板面方向流动。 如薄板 两侧均匀加热或冷却、炉墙或冷库的保温层导热等情况可以按无限大平板处理。什么叫非稳态导热的正规状态或充分发展阶段 ? 这一阶段在物理过程 及数学处理上都有些什么特点 ?答:非稳态导热过程进行到一定程度 , 初始温度分布的影响就会消 失,虽然各点温度

7、仍随时间变化 , 但过余温度的比值已与时间无关,只是几何位置 ( /x 和 边界条件 (Bi数 的函数, 亦即无量纲温度分布不变, 这一阶段称为正规状况阶段或充 分发展阶段。 这一阶段的数学处理十分便利, 温度分布计算只需取无 穷级数的首项进行计算。有人认为 , 当非稳态导热过程经历时间很长时 , 采用图 3-7记算所得的 结果是错误的 . 理由是:这个图表明 , 物体中各点的过余温度的比值与 几何位置及 Bi 有关 , 而与时间无关 . 但当时间趋于无限大时 , 物体中各 点的温度应趋近流体温度 , 所以两者是有矛盾的。你是否同意这种看 法 , 说明你的理由。答:我不同意这种看法, 因为随着

8、时间的推移, 虽然物体中各点 过余温度的比值不变但各点温度的绝对值在无限接近。 这与物体中各点温度趋近流体温度 的事实并不矛盾。试说明 Bi 数的物理意义。 oBi 及 Bi 各代表什么样的换热条件 ? 有人认为 , Bi 代表了绝热工况 , 你是否赞同这一观点 , 为什么 ? 答; Bi 数是物体内外热阻之比的相对值。 oBi 时说明传热热阻 主要在边界,内部温度趋于均匀,可以用集总参数法进行分析求解; Bi 时, 说明传热热阻主要在内部, 可以近似认为壁温就是流体温 度。认为 oBi 代表绝热工况是不正确的, 该工况是指边界热阻相对 于内部热阻较大,而绝热工况下边界热阻无限大。什么是分非稳

9、态导热问题的乘积解法 , 他的使用条件是什么 ?答; 对于二维或三维非稳态导热问题的解等于对应几个一维问题解的 乘积, 其解的形式是无量纲过余温度, 这就是非稳态导热问题的乘积 解法,其使用条件是恒温介质,第三类边界条件或边界温度为定值、初始温度为常数的情况。8. 什么是 ” 半无限大 ” 的物体 ? 半无限大物体的非稳态导热存在正规阶 段吗 ?答:所谓“半大限大”物体是指平面一侧空间无限延伸的物体:因为物体向纵深无限延伸, 初脸温度的影响永远不会消除, 所以半死限大物体的非稳念导热 不存在正规状况阶段。9. 冬天, 72的铁与 600的木材摸上去的感觉一样吗,为什么?10. 本章的讨论都是对

10、物性为常数的情形作出的 , 对物性温度函数的情 形 , 你认为怎样获得其非稳态导热的温度场 ?答:从分析解形式可见,物体的无量纲过余温度是傅立叶数 (2/l 的负指数函数,即表示在相同尺寸及换热条件下, 导温系数越大的物体到达指定温度 所需的时间越短、这正说明导温系数所代表的物理含义。第五章复习题1、试用简明的语言说明热边界层的概念。答:在壁面附近的一个薄层内, 流体温度在壁面的法线方向上发生剧 烈变化, 而在此薄层之外, 流体的温度梯度几乎为零, 固体表面附近 流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为温度边界层或热边界层。2、与完全的能量方程相比,边界层能量方程最重要的特点是什么?答:与完全的能量

11、方程相比,它忽略了主流方向温度的次变化率 22x A ,因此仅适用于边界层内,不适用整个流体。 3、 式 (5 4 与导热问题的第三类边界条件式 (2 17 有什么区别? 答:0=-=y y t th (5 4 ( (f w t t h h t-=- (2 11式(5 4中的 h 是未知量,而式(2 17中的 h 是作为已知的边 界条件给出,此外(2 17中的 为固体导热系数而此式为流体导热系数,式(5 4将用来导出一个包括 h 的无量纲数,只是局部 表面传热系数, 而整个换热表面的表面系数应该把牛顿冷却公式应用 到整个表面而得出。4、式(5 4表面,在边界上垂直壁面的热量传递完全依靠导热,

12、那么在对流换热中,流体的流动起什么作用?答:固体表面所形成的边界层的厚度除了与流体的粘性有关外还与主 流区的速度有关, 流动速度越大, 边界层越薄, 因此导热的热阻也就 越小,因此起到影响传热大小5、对流换热问题完整的数字描述应包括什么内容?既然对大多数实 际对流传热问题尚无法求得其精确解, 那么建立对流换热问题的数字 描述有什么意义?答:对流换热问题完整的数字描述应包括:对流换热微分方程组 及定解条件, 定解条件包括, (1 初始条件 (2 边界条件 (速度、 压力及温度 建立对流换热问题的数字描述目的在于找出影响对流换 热中各物理量之间的相互制约关系, 每一种关系都必须满足动量, 能 量和

13、质量守恒关系,避免在研究遗漏某种物理因素。1、什么叫做两个现象相似,它们有什么共性?答:指那些用相同形式并具有相同内容的微分方程式所描述的现象, 如果在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量一一对于成 比例,则称为两个现象相似。凡相似的现象, 都有一个十分重要的特性, 即描述该现象的同名特征 数(准则对应相等。初始条件。指非稳态问题中初始时刻的物理量分布。边界条件。 所研究系统边界上的温度 (或热六密度、 速度分布等条 件。几何条件。换热表面的几何形状、位置、以及表面的粗糙度等。 物理条件。物体的种类与物性。2.试举出工程技术中应用相似原理的两个例子.3.当一个由若干个物理量所组成的试验数

14、据转换成数目较少的无量 纲以后,这个试验数据的性质起了什么变化?4.外掠单管与管内流动这两个流动现象在本质上有什么不同?5、对于外接管束的换热,整个管束的平均表面传热系数只有在流动 方向管排数大于一定值后才与排数无关,试分析原因。答:因后排管受到前排管尾流的影响 (扰动 作用对平均表面传热系 数的影响直到 10排管子以上的管子才能消失。6、试简述充分发展的管内流动与换热这一概念的含义。答:由于流体由大空间进入管内时, 管内形成的边界层由零开始发展 直到管子的中心线位置, 这种影响才不发生变法, 同样在此时对流换 热系数才不受局部对流换热系数的影响。7、什么叫大空间自然对流换热?什么叫有限自然对

15、流换热?这与强 制对流中的外部流动和内部流动有什么异同?答:大空间作自然对流时, 流体的冷却过程与加热过程互不影响, 当 其流动时形成的边界层相互干扰时,称为有限空间自然对流。 这与外部流动和内部流动的划分有类似的地方,但流动的动因不同,一个由外在因素引起的流动,一个是由流体的温度不同而引起的流 动。第七章思考题1. 什么叫膜状凝结,什么叫珠状凝结 ? 膜状凝结时热量传递过程的主 要阻力在什么地方?答:凝结液体在壁面上铺展成膜的凝结叫膜状凝结, 膜状凝结的主要 热阻在液膜层,凝结液体在壁面上形成液珠的凝结叫珠状凝结。2.在努塞尔关于膜状凝结理论分析的 8条假定中,最主要的简化假 定是哪两条 ?

16、答:第 3条,忽略液膜惯性力,使动量方程得以简化;第 5条,膜内 温度是线性的,即膜内只有导热而无对流,简化了能量方程。3.有人说,在其他条件相同的情况下.水平管外的凝结换热一定比 竖直管强烈,这一说法一定成立?答;这一说法不一定成立,要看管的长径比。4.为什么水平管外凝结换热只介绍层流的准则式?常压下的水蒸气 在 10=-=w s t t t 的水平管外凝结,如果要使液膜中出现湍流,试近似地估计一下水平管的直径要多大 ?答:因为换热管径通常较小,水平管外凝结换热一般在层流范围。 对于水平横圆管:(r t t dh R w s e -=4(4132729. 0 -=w s t t d gr h 临界雷诺数 (1600161. 9Re 34432433=-=r g t t d w sc 由 100=st , 查表:kg kJ r /2257= 由 95=p t ,查表:3/85. 961m kg =(K m W =/6815. 0 (s m kg =-/107. 2986(m g t t rd w s 07. 23. 9761325=-=即水平管管径达到 2.07m 时,流动状态才过渡到湍流。5.试说明大容器沸腾的 t q 曲线中各部分的换热机理。6.对于热流密度可控及壁面温度可控的两种换