传热学综合复习-第一版

复习一、概念3．时间常数：采用集总参数法分析时，物体中过余温度随时间变化的关系式中的pcV/(hA)具有时间的量纲，称为时间常数。时间常数的数值越小表示测温元件越能迅速地反映流体的温度变化。h66/入物体内部导热热阻4．毕渥数：Bi==5．傅里叶数Fo：：Fo=a,是非稳态导热过程的无量纲时间62hlNu=，表征壁面法向无量纲过余温度梯度的大小，由此梯度反映对流换热的强弱；入ulRe=，表征流体流动时惯性力与粘滞力的相对大小，Re的大小能反映流态；vvPr=，物性准则，反映了流体的动量传递能力与热量传递能力的相对大小；a。9．热导率(导热系数)：物性参数，热流密度矢量与温度降度的比值，数值上等于1K／m的温度梯度作用下产生的热流密度。热导率是材料固有的热物理性质，表示物质导热能力的大小。导热系数的变化规律？10．导温系数(热扩散系数)：材料传播温度变化能力大小的指标。11．稳态导热：物体中各点温度不随时间而改变的导热过程。12．非稳态导热：物体中各点温度随时间而改变的导热过程。括初始条件和17.速度边界层：在流场中壁面附近流速发生急剧变化的薄层。如何量化？18.温度边界层：在流体温度场中壁面附近温度发生急剧变化的薄层。如何量化？例。被物体表面所反射的比例。22．白体：反射比ρ=l的物体(漫射表面)24．黑度：实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值，即物体发射能力接近黑体的程度。25．辐射力：单位时间内物体的单位辐射面积向外界(半球空间)发射的全部波长的辐射能。30.基尔霍夫定律(基希霍夫定律)？2.大容器的饱和沸腾曲线区域？内部强制对流实验关联式？外部强制对流实验关联式？6.大空间自然对流实验关联式？38.电磁波波谱对辐射传热的影响？39.两个漫灰表面组成的封闭系统辐射传热计算？用隔热板隔热原理二、填空三、选择答：导温系数与导热系数成正比关系(a=λ/ρc)，但导温系数不但与材料的导热系数有关，还与材料的热容量(或储热能力)也有关；从物理意义看，导热系数表征材料导热能力的强弱，导温系数表征材料传播温度变化的能力的大小，两者都是物性参数。2.一维平板非稳态无内热源常导热系数导热问题的导热微分方程表达式。答：导热微分方程的基本形式为：pc?t=?(入?t)+?(入?t)+?(入?t)+Φ.?T?x?x?y?y?z?z?xH?xH?t=a(?2t+?2t+?2t)?T?x2?y2?z2?t?2ta?T?x2入a=pcx=0,x=0,t=t平板两侧一侧为第一类边界条件，另一侧为第二类边界条件为：x=0,t=t?tw?tw答：当固体内部的导热热阻远小于其表面的换热热阻时，即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，内部由于热阻很小因而温度趋于均匀，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。TT4.什么叫时间常数c？试分析测量恒定的流体温度时c对测量准确度的影响。pcVT答：T=,具有时间的量纲，称为时间常数，c数值上等于过余温度为初始过余温度的36.8%chAT时所经历的时间。c越小，表示物体热惯性越小，到达流体温度的时间越短。测温元件的时间常T数大小对恒温流体的测量准确度没有影响，对变温流体的测量准确度有影响，c越小，准确度越高。高5.温度计套管测量流体温度时如何提高测温精度。答：温度计套管可以看作是一根吸热的管状肋(等截面直肋)，利用等截面直肋计算肋端温度th的=Hh，欲使测量误差ΔtH(1)降低壁面与流体的温差(tf-t0)，也就是想办法使肋基温度t0接近tf，可以通过对流体通道的外表面采取保温措施来实现；长度；b)减小λ，采用导热系数小的材料做温度计套管，如采用不锈钢管，不要用铜管。因为不锈钢的导热系数比铜和碳钢小；c)降低δ，减小温度计套管的壁厚，采用薄壁管；d)提高h，怎样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可采取以下措施：1)尽量降低热电偶的时间常数；2)在形状上要降低热电偶的体积与面积之比；3)选择热容小强化热电偶表面的对流换热。7.强化管内强迫对流传热的方法答：1)增加平均温度差，如采取逆流换热2)增加换热面积3)增加流体流速，增加流体扰动4)减小污垢热阻5)采用导热系数大的材料开，蒸汽结蒸汽的分压降低，液膜表面蒸汽的饱和温度降低，减少了有效冷凝温差，削弱了凝结换热。9.试用传热原理说明冬天可以用玻璃温室种植热带植物的原理？答：可以从可见光、红外线的特性和玻璃的透射比来加以阐述。将温室内物体和空气升温。室内物体所发出的辐射是一种长波辐射——红外线，对于长波辐射玻璃的透过率接近于零，几乎是不透明(透热)的，因此，室内物体升温后所发出的热辐射被玻璃挡在室内不能穿过。玻璃11.玻璃可以透过可见光，为什么在工业热辐射范围内可以作为灰体处理?答：可以从灰体的特性和工业热辐射的特点论述。5所谓灰体是针对热辐射而言的，灰体是指吸收率与波长无关的物体。在红外区段，将大多数实际其主要热辐射的波长位于红外区域。许多材料的单色吸收率在可见光范围内和红外范围内有较大的差别，如玻璃在可见光范围内几乎是透明的，但在工业热辐射范围内则几乎是不透明的，并且其光谱吸收比与波长的关系不大，可以作为灰体处理。但如果大气中的CO2含量增加，会使大气对地面辐射的吸收能力增强，导致大气13.北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜，为什么?答：霜会结在树叶的上表面。因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空的温度低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。热中，引入黑体与灰体有什么意义?中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。灰体：单色发射率与波长无关的物体称为灰体。其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。对可见光而言的。有了理想的参照物。灰体概念的提出使吸收率的确定及辐射换热计算大为简化，具有重要的作用，x=6t=t15.说明用热电偶测量高温气体温度时，产生测量误差的原因有哪些?可以采取什么措施来减小测量误差?答：用热电偶测量高温气体时，同时存在气流对热电偶换热和热电偶向四壁的辐射散热两种传热情况，热电偶的读数即测量值小于气流的实际温度产生误差。所以，引起误差的因素：①烟气与热电偶间的复合换热量小；②热电偶与炉膛内壁间的辐射减小误差的措施：①减小烟气与热电偶间的换热热阻，如抽气等；②增加热电偶与炉膛间的辐射热阻，如加遮热板；③设计出计算误差的程序或装置，进行误差补偿。17.内节点和边界节点：外部角点、内部角点、平直边界上热平衡离散方程的建立五、模型2t=x21,22t=x21,2数学描述:dd对微分方程直接积分两次，得微分方程的通解=c=ct=cx+c x112利用两个边界条件1c=tt16t27x=6,t=tc=t2将两个积分常数代入原通解，可得平壁内的温度分布如下t=tt=t12x2.无内热源，λ为常数，稳态导热，一侧为第一类边界条件，另一侧为第二类或第三类边界条件。此时导热微分方程式不变，平壁内部的温度分布仍是线性的，只是t2未知。t=tt=t12x另一侧为第二类边界条件另一侧为第三类边界条件qw=/h(tt)=t1t2tt数学描述:0稳态导热，两侧均为第一类边界条件。1x=6,t=t2利用边界条件最后得温度分布为抛物线形式：84.有均匀内热源稳态导热，λ为常数，两侧均为第一类边界条件。数学描述:12对微分方程直接积分两次，得微分方程的通解ΦΦ.C利用两个边界条件12将两个积分常数代入原通解，可得平壁内的温度分布如下将两个积分常数代入原通解，可得平壁内的温度分布如下162入5.通过多层平壁的导热，两侧均为第一类边界条件。在稳态、无内热源的情况下，通过各层的热流量相等。热流量也等于总温差比上总热阻。112211229()数学描述:()数学描述: ()如图所示当厚度相等时，斜率大，温差大，材料导热系数小。2，12236.通过单层圆筒壁的导热(无内热源，λ为常数，两侧均为第一类边界条件)ddtrdr122积分上面的微分方程两次得到其通解为:ddr,,利用两个边界条件1122将两个积分常数代入通解，得圆筒壁内的温度分布如下：t=t+t2-t1ln(r/r)1ln(r/r)1，温度分布是一条对数曲线。2121,，,若t>t若t>t:wdr2若t<t若t<t:dr2向上凸通过圆筒壁的热流量为=t1-t2=t1-t2[W]1lnr2R入2"入lr1.多层圆筒壁由不同材料构成的多层圆筒壁，其导热热流量可按总温差和总热阻计算。i=1iiq=tw1-tw(n+1)[Wm]lxn1ln+12"入ri=1iiql通过单位长度圆筒壁的热流量。8.单层圆筒壁，第三类边界条件，稳态导热。q=2"rh(t-t)=q=tw1-tw2lr111f1w1l1lnr21=q=2"rh(t-t)lr222w2f2t-tq=f1f2+2入lnr2r+h"r11122t-t=f1f2Rl9.多层圆筒壁，第三类边界条件，稳态导热。经过积分得t=cln经过积分得t=clnr+c-0•r2t-tq=f1f2hddh"dl1+xn1hddh"d11i=1ii2n+1解：有内热源空心圆柱体导热系数为常数的导热微分方程式为r?r(?r?r(?r)rrwr0tw代入边界条件得ge(通解一样，但已知条件不同，边界条件不同)圆柱体的导热对上面的微分方程积分两次，得到：对上面的微分方程积分两次，得到：rdr(dr)入r=0,dt=0;drww进一步利用两个边界得出圆柱体内的温度分为：dtdtdtdtw12.内、外半径分别为r1、r2，球壳材料的导热系数为常数，无内热源，球壳内、外侧壁面分别维r2dr(dr),,,2w2温度分布:t=t+t–tw1w2(1r–1r)温度分布:w21r–1r212热流量:drdrC=w1w21r–1r1213.金属实心长棒通电加热,单位长度的热功率等于Φl(单位是W/m)，材料的导热系数λ，表面发给出此导热问题的数学描述。解：此导热问题的数学描述对微分方程直接积分两次，得微分方程的通解xc对微分方程直接积分两次，得微分方程的通解xctt1)/26+6将两个积分常数代入原通解，可得平壁内的温度分布如下2,tt2t=tw1w2x+x(26x)tt14.一厚度为2δ的无限大平壁，导热系数λ为常量，壁内具有均匀的内热源Φ(单位为W/m3)，边dx2，解：导热微分方程为tt初始条件为边界条件为xx，右侧与某种流体进行对流换热，表面换热系数为h，流dtC•=_dx2入••t=_Cx2+cx+c2代入边界条件|11••c=C6+C62••CC6CC6CC6CC6C6C62fh••••?x?x17.导热问题的完整数学描述：导热微分方程+定解条件指定边界上的温度分布。x=0,t=tw1wx=6,t=tw2w2.第二类边界条件:给定边界上的热流密度。tw1tw2xδ?tw?tw0δ3.第三类边界条件:给定边界面与流体间的换热系数和流体的温度。h牛顿冷却定律：q=h(tt)wwftnw第三类边界条件:x=6,入?t=h(tt)?xw?xx=60δxtfxdww六、计算内热阻可忽略不计，试列出物体温度随时间变化的微分方程式。解：由题意知，固体温度始终均匀一致，所以可按集总热容系统处理。：1wq=hA(T-T)2w固体散出的总热量等于其焓的减小q+q=-pcvdt12dT即wwdT一块单侧表面积为A、初温为t0的平板，一侧表面突然受到恒定热流密度qw的加热，另一侧表面受到初温为tw的气流冷却，表面传热系数为h。试列出物体温度随时间变化的微分方程式并求解之。设内阻可以不计，其他的几何、物性参数均已知。解：由题意，物体内部热阻可以忽略，温度只是时间的函数，一侧的对流换热和另一侧恒热流加热作为内热源处理，根据热平衡方程可得控制方程为:t=00dwdTt0上述控制方程的解为:hw0pcvhpcv一块厚20mm的钢板，加热到500℃后置于20℃的空气中冷却。设冷却过程中钢板两侧面的平均表面传热系数为35W/(m2.K)，钢板的导热系数为45W/(m·K)，热扩散系数为1.375人10一5m2/s。试确定使钢板冷却到与空气相差10℃所需的时间。因此可以采用集总参数法9pcV0hA9pcV0910Fo=(Ln)/(一Bi)=(Ln)/(一0.00778)=497.5694800在附图所示的有内热源的二维导热区域中，一个界面绝热，一个界面等温(包括节点4)，其余两个界面与温度为tf的流体节点1：y2x2421f；节点2：x2x2y2；节点5：y2y2x25f；节点6：yxyx；节点9：y2x24229f；节点10：x2x2y210f。0.022m3/s，管壁的平均温度为180℃。求：管子多长才能使空气加热到115℃。(忽略短管效应)已知90℃下空气的物性数据为：0.972kg/m3p解：定性温度f2℃p按强制湍流对流传热计算对流表面传热系数0.076pp已知：冷空气温度为0℃，以6m/s的流速平行的吹过一太阳能集热器的表面。该表面尺寸为求：由于对流散热而散失的热量。解：f2℃1w08.热处理工艺中，常用银球来测定淬火介质的冷却能力。今有两个直径均为20mm的银球，加热到650℃后分别置于20℃的静止水和20℃的循环水容器中。当两个银球中心温度均由650℃变化到450℃时，用热电偶分别测得两种情况下的降温速率分别为180℃／s及360℃／s。在上述温度范围内银的物性参数ρ