傳熱學(xué)簡答題.doc

1、 冬天，經(jīng)過在白天太陽底下曬過的棉被，晚上蓋起來感到很暖和，并且經(jīng)過拍打以后，效果更明顯。解釋其原因。答：棉被經(jīng)過晾曬以后，可使棉花的空隙里進(jìn)入更多的空氣。而空氣在狹小的棉絮空間里的熱量傳遞方式主要是導(dǎo)熱，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小（20，1.01325105Pa時，空氣導(dǎo)熱系數(shù)為0.0259W/(m.k),具有良好的保溫性能，而經(jīng)過拍打的棉被可以讓更多的空氣進(jìn)入，因而效果更明顯。2、 夏季在維持20的室內(nèi)工作，穿單衣會感到很舒適，而冬季在保持22的室內(nèi)工作時，卻必須穿羽絨衣才覺得舒服。從傳熱學(xué)分析原因。答：首先，冬季和夏季最大的區(qū)別就是室外溫度不同，夏季室外溫度高于室內(nèi)溫度，因此通過墻壁的熱量的傳遞方式是由室外傳向室內(nèi)，而冬季則相反，因此冬季和夏季墻壁內(nèi)表面溫度不同，夏季高而冬季低。因此盡管冬季室內(nèi)溫度略高于夏季，但是人體在冬季通過輻射與墻壁的散熱比夏季高很多，由于人體對于冷感的感受主要是散熱量，所以在冬季要傳一些后的衣服。3、 冬天，在相同的室外條件下，為什么有風(fēng)比無風(fēng)時感覺更冷一些？答：假定人體表面溫度相同時，人體的散熱在有風(fēng)時相當(dāng)于強(qiáng)制對流換熱，而在無風(fēng)時屬于自然對流換熱。而空氣的強(qiáng)制對流換熱比自然對流強(qiáng)烈，因而在有風(fēng)時人體帶走的熱量更多，所以感到更冷一些。4、 利用同一臺冰箱儲存相同的物質(zhì)時，試問結(jié)霜的冰箱耗電量大還是未結(jié)霜的冰箱耗電量大？答：當(dāng)其他條件相同時，冰箱的結(jié)霜相當(dāng)于在冰箱蒸發(fā)器和冰箱冷凍室之間增加了一個附加熱阻，因此，要達(dá)到相同的制冷溫度，必然要求蒸發(fā)器處于更低的溫度，所以結(jié)霜的冰箱耗電量更大。5、 試分析室內(nèi)暖氣片的散熱過程，各環(huán)節(jié)都有哪些熱量傳遞方式？答：有以下?lián)Q熱環(huán)節(jié)和熱傳遞方式：（1）由熱水到暖氣片管道內(nèi)壁，熱傳遞方式是對流換熱（強(qiáng)制對流）；（2）由暖氣片管道內(nèi)壁至外壁，熱傳遞方式為導(dǎo)熱；（3）由暖氣片外壁至室內(nèi)環(huán)境和空氣，熱傳遞方式有輻射換熱和對流換熱。6、 由導(dǎo)熱微分方程可知，非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱只與熱擴(kuò)散率有關(guān)，而與導(dǎo)熱系數(shù)無關(guān)，你認(rèn)為對嗎？答：由于描述一個導(dǎo)熱問題的完整的數(shù)學(xué)描寫不僅包括控制方程，還包括定解條件。所以雖然非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的控制方程只與擴(kuò)散率有關(guān)，但邊界條件中卻有可能包括導(dǎo)熱系數(shù).因此上述觀點不對。7、 由對流換熱方程可知，該式中沒有出現(xiàn)流速，有人因此得出結(jié)論：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與流體速度無關(guān)。試判斷這種說法的正確性。答：這種說法不正確，因為在描述流動的能量微分方程中對流項含有流體速度，即要獲得液體的溫度場，必須先獲得其速度場，“流動與換熱密不可分”。因此表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)必與流體速度場有關(guān)。8、 其他條件相同時，同一根管子橫向沖刷與縱向沖刷相比，那個表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，為什么？答：橫向沖刷時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。因為縱向沖刷時相當(dāng)于外掠平板的流動，熱邊界層較厚，而橫向沖刷時熱邊界層薄且存在由于邊界層分離而產(chǎn)生的漩渦，增加了液體的擾動，因而換熱強(qiáng)。9、 在地球表面某實驗室內(nèi)設(shè)計的自然對流換熱試驗，到太空中是否仍然有效，為什么？答：該實驗到太空中無法得到地面上的實驗結(jié)果。因為自然對流是由于流體內(nèi)部的溫差從而引起密度差并在重力的作用下引起的。在太空中實驗室裝置將處于失重狀態(tài)，因而無法形成自然對流，所以無法得到預(yù)期的實驗結(jié)果。10、 電影泰坦尼克號中男主人公杰克在海水中被凍死而女主人公羅斯卻因躺在筏上而活了下來。試從傳熱學(xué)角度解釋這一現(xiàn)象。答：杰克在海水里其身體與海水間由于自然對流交換熱量，而羅斯在筏上其身體與空氣之間產(chǎn)生自然對流。在其他條件相同時，水的自然對流強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于空氣，因此杰克身體由于自然對流散失熱量的速度比羅斯快的多，因而杰克被凍死羅斯幸免于難。11、 有一臺放置于室外的冷庫，從減小冷庫冷量損失的角度出發(fā)，冷庫外殼應(yīng)涂成深色還是淺色？答：要減少冷庫冷損，須盡可能少的吸收外界熱量，而盡可能多地向外釋放熱量。因此冷庫應(yīng)取較淺的顏色，從而使吸收的可見光能量較少，而向外發(fā)射的紅外線較多。問題5 有人將一碗熱稀飯置于一盆涼水中進(jìn)行冷卻。為使稀飯涼得更快一些，你認(rèn)為他應(yīng)該攪拌碗中的稀飯還是盆中的涼水？為什么？回答：從稀飯到?jīng)鏊且粋€傳熱過程。顯然，稀飯和水的換熱在不攪動時屬自然對流。而稀飯的換熱比水要差。因此要強(qiáng)化傳熱增加散熱量，應(yīng)該用攪拌的方式強(qiáng)化稀飯側(cè)的傳熱。問題6 在寒冷的北方地區(qū)，建房用磚采用實心磚還是多孔的空心磚好？為什么？回答：在其他條件相同時，實心磚材料如紅磚的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.5W/（mK）（35），而多孔空心磚中充滿著不動的空氣，空氣在純導(dǎo)熱（即忽略自然對流）時其導(dǎo)熱系數(shù)很低，是很好的絕熱材料。因而用多孔空心磚好 問題8 人造地球在衛(wèi)星在返回地球表面時為何容易被燒毀？回答：衛(wèi)星在太空中正常運行時，其表面的熱量傳遞方式主要依靠與太空及太陽等星體的輻射。而在衛(wèi)星返回地面的過程中，由于與大氣層之間的摩擦，產(chǎn)生大量的熱量，無法及時散失，因而易被燒毀。問題9 人們常說“下霜了”，那么霜是產(chǎn)生在樹葉上表面還是下表面？回答：霜會結(jié)在樹葉上的表面。因為清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的溫度低于攝氏零度，而地球表面溫度一般在零度以上。由于相對樹葉下表面來說，其上表面需要向太空輻射更多的能量，所以樹葉下表面溫度較高，而上表面溫度較低且可能低于零度，因而容易結(jié)霜。問題10 窗玻璃對紅外線幾乎不透明，但為什么隔著玻璃曬太陽卻使人感到暖和？回答：窗玻璃對紅外線不透明，但對可見光卻是透明的，因而隔著玻璃曬太陽，太陽光可以穿過玻璃進(jìn)入室內(nèi)，而室內(nèi)物體發(fā)出的紅外線卻被阻隔在窗內(nèi)，因而房間內(nèi)溫度越來越高，因而感到暖和。問題11 在太陽系中地球和火星距太陽的距離相差不大，但為什么火星表面溫度晝夜變化卻比地球要大得多？回答：由于火星附近沒有大氣層，因而在白天，太陽輻射時火星表現(xiàn)溫度很高，而在夜間，沒有大氣層的火星與溫度接近于絕對零度的太空進(jìn)行輻射換熱，因而表面溫度很低。而地球附近由于大氣層（主要成份是CO2和水蒸氣）的輻射作用，夜間天空溫度比太空高，白天大氣層又會吸收一部分來自太陽的輻射能量，因而晝夜溫差較小。問題12 在冬季的晴天，白天和晚上空氣溫度相同，但白天感覺暖和，晚上卻感覺冷。試解釋這種現(xiàn)象。回答：白天和晚上人體向空氣傳遞的熱量相同，且均要向溫度很低的太空輻射熱量。但白天和晚上的差別在于：白天可以吸收來自太陽的輻射能量，而晚上卻不能。因而晚上感覺會更冷一些。 1、什么是物體表面的黑度，它與哪些因素相關(guān)? 什么是物體表面的吸收率，它與哪些因素相關(guān)? 它們之間有什么區(qū)別? 物體表面的黑度被定義為物體表面的輻射力與其同溫度下黑體輻射的輻射力之比，它與物體的種類、表面特征及表面溫度相關(guān)。物體表面的吸收率是表面對投入輻射的吸收份額，它不僅與物體的種類、表面特征和溫度相關(guān)，而且與投入輻射的能量隨波長的分布相關(guān)，也就是與投入輻射的發(fā)射體的種類、溫度和表面特征相關(guān)。比較兩者的相關(guān)因素不難看出它們之間的區(qū)別，概括地說黑度是物體表面自身的屬性，而吸收率確不僅與自身有關(guān)情況有關(guān)還與外界輻射的情況緊密相連。 2、什么是定向輻射強(qiáng)度？滿足蘭貝特定律的輻射表面是什么樣的表面？試列舉幾種這樣的表面。定向輻射強(qiáng)度定義為，單位時間在某方向上單位可見輻射面積（實際輻射面在該方向的投影面積）向該方向上單位立體角內(nèi)輻射出去的一切波長范圍內(nèi)的能量。滿足蘭貝特定律的輻射表面是漫反射和漫發(fā)射的表面，簡稱漫射表面。如，相對于光線的粗糙表面、黑體表面和紅外輻射范圍的不光滑的實際物體表面都可以近似認(rèn)為是漫射表面。 3、按照基爾霍夫定律的要求，物體表面的黑度等于其吸收率應(yīng)該在什么條件下成立？灰體是否需要這些條件？按照基爾霍夫定律的要求，物體表面的黑度應(yīng)等于其對同溫度的黑體輻射的吸收率，條件就是，發(fā)射體為黑體，且溫度與吸收體的溫度相同。由于灰體是單色吸收率為常數(shù)的物體，那么它對來自不同溫度的如何物體都有相同的吸收率，因而是無條件具有黑度等于其吸收率。4、什么是灰體？在實際工程計算中我們把物體表面當(dāng)作灰體處理應(yīng)滿足什么條件？而又為什么要滿足這樣的條件？灰體是單色吸收率為常數(shù)的物體。在實際工程計算中我們把物體表面當(dāng)作灰體處理應(yīng)滿足的條件是物體的輻射換熱過程必須在工程溫度范圍。這是因為在工程溫度范圍（2000K以下）物體的熱輻射主要是紅外輻射，而在紅外輻射范圍內(nèi)大多數(shù)物體表面的吸收率僅在一個小范圍內(nèi)變化，因而可以將其視為常數(shù)，也就可以當(dāng)作灰體處理。6.用輻射換熱知識解釋玻璃溫室的工作原理？當(dāng)太陽光照射到玻璃上時，玻璃對波長小于2.2mm的輻射能吸收比很小，從而使大部分太陽能可以進(jìn)入到暖房內(nèi)。暖房中的物體溫度低，輻射能絕大部分位于紅外區(qū)，而玻璃對于波長大于3的輻射能吸收比很大，阻止了輻射能向暖房外的散失。7、 什么是輻射表面之間的角系數(shù)? 在什么條件下角系數(shù)成為一個純幾何量？我們把1表面輻射出去的輻射能投到2表面上去的份額定義為表面1對表面2的角系數(shù)，記為X1，2。將從能量傳遞角度定義的角系數(shù)視為一個純幾何量，只能在等強(qiáng)輻射表面之間的能量傳遞中成立。8.熱量傳遞有哪三種基本方式？它們傳遞熱量的機(jī)理任何？自然界是否存在單一的熱量傳遞方式？試舉例說明。 熱傳導(dǎo)是借助于物質(zhì)的微觀粒子運動而實現(xiàn)的熱量傳遞過程； 熱對流是借助于流場中流體的宏觀位移而實現(xiàn)的熱量傳遞過程； 熱輻射是借助于物體發(fā)射和吸收光量子或電磁波而實現(xiàn)的熱量傳遞過程； 自然界存在單一的熱量傳遞方式，如真空中進(jìn)行的熱輻射和固態(tài)物質(zhì)中的熱傳導(dǎo)。 我們把1表面輻射出去的輻射能投到2表面上去的份額定義為表面1對表面2的角系數(shù)，記為X1，2。將從能量傳遞角度定義的角系數(shù)視為一個純幾何量，只能在等強(qiáng)輻射表面之間的能量傳遞中成立。 9.什么是溫度場？什么是溫度梯度？傅立葉定律指出熱流密度與溫度梯度成正比所反映的物理實質(zhì)是什么？ 溫度場是傳熱學(xué)研究的系統(tǒng)（物體）中各個點上的溫度的集合，也稱為溫度在時間和空間上的分布，數(shù)學(xué)表達(dá)式為, 這是對于直角坐標(biāo)系而言。 溫度梯度是溫度場中任意點上的溫度在其法線方向上的變化率，它是一個矢量，方向為該點的法線方向，其大小就是該方向的變化率的絕對值。熱流密度與溫度梯度成正比能反映出熱量的傳遞是物體系統(tǒng)中能量分布不均勻或者不平衡的結(jié)果，因為這種不平衡導(dǎo)致溫度分布的差異，而這種差異空間分布上越大，產(chǎn)生的熱流密度也就越大。10.導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)各自從什么地方產(chǎn)生？它們各自反映了物質(zhì)的什么特性？并指出它們的差異？ 導(dǎo)熱系數(shù)是從傅立葉定律定義出來的一個物性量，它反映了物質(zhì)的導(dǎo)熱性能； 熱擴(kuò)散系數(shù)是從導(dǎo)熱微分方程式從定義出來的一個物性量，它反映了物質(zhì)的熱量擴(kuò)散性能，也就是熱流在物體內(nèi)的滲透的快慢程度。兩者的差異在于前者是導(dǎo)熱過程的靜態(tài)特性量，而或者則是導(dǎo)熱過程的動態(tài)特性量，因而熱擴(kuò)散系數(shù)反映的是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的特征。 6.對流換熱是怎樣的過程，熱量如何傳遞的？對流：指流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞方式。對流僅能發(fā)生在流體中，而且必然伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。對流兩大類：自然對流與強(qiáng)制對流。影響換熱系數(shù)因素：流體的物性，換熱表面的形狀與布置，流速7.何謂膜狀凝結(jié)過程，不凝結(jié)氣體是如何影響凝結(jié)換熱過程的？蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，如果凝結(jié)液體能很好的潤濕壁面，它就在壁面上鋪展成膜，這種凝結(jié)形式稱為膜狀凝結(jié)。不凝結(jié)氣體對凝結(jié)換熱過程的影響：在靠近液膜表面的蒸氣側(cè)，隨著蒸氣的凝結(jié)，蒸氣分壓力減小而不凝結(jié)氣體的分壓力增大。蒸氣在抵達(dá)液膜表面進(jìn)行凝結(jié)前，必須以擴(kuò)散方式穿過聚集在界面附近的不凝結(jié)氣體層。因此，不凝結(jié)氣體層的存在增加了傳遞過程的阻力。8.試以導(dǎo)熱系數(shù)為定值，原來處于室溫的無限大平壁因其一表面溫度突然升高為某一定值而發(fā)生非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程為例，說明過程中平壁內(nèi)部溫度變化的情況，著重指出幾個典型階段。首先是平壁中緊挨高溫表面部分的溫度很快上升，而其余部分則仍保持原來的溫度，隨著時間的推移，溫度上升所波及的范圍不斷擴(kuò)大，經(jīng)歷了一段時間后，平壁的其他部分的溫度也緩慢上升。主要分為兩個階段：非正規(guī)狀況階段和正規(guī)狀況階段9.灰體有什么主要特征？ 灰體的吸收率與哪些因素有關(guān)？灰體的主要特征是光譜吸收比與波長無關(guān)?；殷w的吸收率恒等于同溫度下的發(fā)射率，影響因素有：物體種類、表面溫度和表面狀況。10.氣體與一般固體比較其輻射特性有什么主要差別？氣體輻射的主要特點是：（1）氣體輻射對波長有選擇性（2）氣體輻射和吸收是在整個容積中進(jìn)行的11.說明平均傳熱溫壓得意義，在純逆流或順流時計算方法上有什么差別？平均傳熱溫壓就是在利用傳熱傳熱方程式來計算整個傳熱面上的熱流量時，需要用到的整個傳熱面積上的平均溫差。純順流和純逆流時都可按對數(shù)平均溫差計算式計算，只是取值有所不同。12.邊界層，邊界層理論邊界層理論：（1）流場可劃分為主流區(qū)和邊界層區(qū)。只有在邊界層區(qū)考慮粘性對流動的影響，在主流區(qū)可視作理想流體流動。（2）邊界層厚度遠(yuǎn)小于壁面尺寸 （3）邊界層內(nèi)流動狀態(tài)分為層流與紊流，紊流邊界層內(nèi)緊靠壁面處仍有層流底層。13.液體發(fā)生大容器飽和沸騰時，隨著壁面過熱度的增高，會出現(xiàn)哪幾個換熱規(guī)律不同的區(qū)域？這幾個區(qū)域的換熱分別有什么特點？為什么把熱流密度的峰值稱為燒毀點？分為四個區(qū)域：1、自然對流區(qū)，這個區(qū)域傳熱屬于自然對流工況。2、核態(tài)沸騰區(qū)，換熱特點：溫壓小、傳熱強(qiáng)。3、過度沸騰區(qū)：傳熱特點：熱流密度隨著溫壓的升高而降低，傳熱很不穩(wěn)定。4、膜態(tài)沸騰區(qū)：傳熱特點：傳熱系數(shù)很小。由于超過熱流密度的峰值可能會導(dǎo)致設(shè)備燒毀，所以熱流密度的峰值也稱為燒毀點。14.闡述蘭貝特定律的內(nèi)容。說明什么是漫射表面？角系數(shù)具有哪三個性質(zhì)？在什么情況下是一個純幾何因子，和兩個表面的溫度和黑度沒有關(guān)系？蘭貝特定律給出了黑體輻射能按空間方向的分布規(guī)律，它表明黑體單位面積輻射出去的能量在空間的不同方向分布是不均勻的，按空間緯度角的余弦規(guī)律變化：在垂直于該表面的方向最大，而與表面平行的方向為零。光譜吸收比與波長無關(guān)的表面稱為漫射表面。角系數(shù)的三個性質(zhì)：相對性、完整性、可加性。當(dāng)滿足兩個條件：（1）所研究的表面是漫射的（2）在所研究表面的不同地點上向外發(fā)射的輻射熱流密度是均勻的。此時角系數(shù)是一個純幾何因子，和兩個表面的溫度和黑度沒有關(guān)系。15.試述氣體輻射的基本特點。氣體能當(dāng)灰體來處理嗎？請說明原因氣體輻射的基本特點：（1）氣體輻射對波長具有選擇性（2）氣體輻射和吸收是在整個容積中進(jìn)行的。氣體不能當(dāng)做灰體來處理，因為氣體輻射對波長具有選擇性，而只有輻射與波長無關(guān)的物體才可以稱為灰體。16.試說明管槽內(nèi)強(qiáng)制對流換熱的入口效應(yīng)。流體在管內(nèi)流動過程中，隨著流體在管內(nèi)流動局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)如何變化的？外掠單管的流動與管內(nèi)的流動有什么不同管槽內(nèi)強(qiáng)制對流換熱的入口效應(yīng)：入口段由于熱邊界層較薄而具有比較充分的發(fā)展段高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。入口段的熱邊界層較薄，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較高，且沿著主流方向逐漸降低。充分發(fā)展段的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較低。外掠單管流動的特點：邊界層分離、發(fā)生繞流脫體而產(chǎn)生回流、漩渦和渦束。18.為什么在給圓管加保溫材料的時候需要考慮臨界熱絕緣直徑的問題而平壁不需要考慮？圓管外敷設(shè)保溫層同時具有減小表面對流傳熱熱阻及增加導(dǎo)熱熱阻兩種相反的作用，在這兩種作用下會存在一個散熱量的最大值，在此時的圓管外徑就是臨界絕緣直徑。而平壁不存在這樣的問題。19.為什么二氧化碳被稱作“溫室效應(yīng)”氣體？氣體的輻射與吸收對波長具有選擇性，二氧化碳等氣體聚集在地球的外側(cè)就好像給地球罩上了一層玻璃窗：以可見光為主的太陽能可以達(dá)到地球的表面，而地球上一般溫度下的物體所輻射的紅外范圍內(nèi)的熱輻射則大量被這些氣體吸收，無法散發(fā)到宇宙空間，使得地球表面的溫度逐漸升高。20.試分析大空間飽和沸騰和凝結(jié)兩種情況下，如果存在少量不凝性氣體會對傳熱效果分別產(chǎn)生什么影響？原因？對于凝結(jié)，蒸氣中的不可凝結(jié)氣體會降低表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，因為在靠近液膜表面的蒸氣側(cè)，隨著蒸氣的凝結(jié)，蒸氣分壓力減小而不凝結(jié)氣體的分壓力增大。蒸氣在抵達(dá)液膜表面進(jìn)行凝結(jié)前，必須以擴(kuò)散方式穿過聚集在界面附近的不凝結(jié)氣體層。因此，不凝結(jié)氣體層的存在增加了傳遞過程的阻力。大空間飽和沸騰過程中，溶解于液體中的不凝結(jié)氣體會使沸騰傳熱得到某種強(qiáng)化，這是因為，隨著工作液體溫度的升高，不凝結(jié)氣體會從液體中逸出，使壁面附近的微小凹坑得以活化，成為汽泡的胚芽，從而使qt沸騰曲線向著t減小的方向移動，即在相同的t下產(chǎn)生更高的熱流密度，強(qiáng)化了傳熱。21.太陽能集熱器