傳熱學復習題和部分答案

1、零、基本概念I. 熱流量：單位時間所傳遞的熱量2.熱流密度：單位傳熱面上的熱流量3. 導熱：當物體有溫度差或兩個不同溫度的物體接觸時，在物體各部分之間不發(fā)生相對位移的情況 下，物質微粒(分子、原子或自由電子)的熱運動傳遞了熱量，這種現(xiàn)象被稱為熱傳導，簡稱導熱。4. 對流傳熱：流體流過固體壁時的熱傳遞過程，就是熱對流和導熱聯(lián)合用的熱量傳遞過程，稱為表 面對流傳熱，簡稱對流傳熱。5.輻射傳熱：物體不斷向周圍空間發(fā)出熱輻射能，并被周圍物體吸收。 同時，物體也不斷接收周圍物體輻射給它的熱能。這樣，物體發(fā)出和接收過程的綜合結果產(chǎn)生了物體 間通過熱輻射而進行的熱量傳遞，稱為表面輻射傳熱，簡稱輻射傳熱。6.

2、 總傳熱過程：熱量從溫度較高的流體經(jīng)過固體壁傳遞給另一側溫度較低流體的過程，稱為總傳熱 過程，簡稱傳熱過程。7. 對流傳熱系數(shù)：單位時間單位傳熱面當流體溫度與壁面溫度差為1K是的對流傳熱量，單位為W /(m2 K)o對流傳熱系數(shù)表示對流傳熱能力的大小。8. 輻射傳熱系數(shù)：單位時間單位傳熱面當流體溫度與壁面溫度差為1K是的輻射傳熱量，單位為W /(m2 K)o輻射傳熱系數(shù)表示輻射傳熱能力的大小。9. 復合傳熱系數(shù)：單位時間單位傳熱面當流體溫度與壁面溫度差為1K是的復合傳熱量，單位為W /(m2 K)o復合傳熱系數(shù)表示復合傳熱能力的大小。10. 總傳熱系數(shù)：總傳熱過程中熱量傳遞能力的大小。數(shù)值上表

3、示傳熱溫差為1K時，單位傳熱面積 在單位時間的傳熱量。II. 溫度場：某一瞬間物體各點溫度分布的總稱。一般來說，它是空間坐標和時間坐標的函數(shù)。12. 等溫面(線)：由物體溫度相同的點所連成的面(或線)。13. 溫度梯度：在等溫面法線方向上最大溫度變化率。14. 熱導率：物性參數(shù)，熱流密度矢量與溫度降度的比值，數(shù)值上等于1 K/m的溫度梯度作用下 產(chǎn)生的熱流密度。熱導率是材料固有的熱物理性質，表示物質導熱能力的大小。15. 導溫系數(shù)：材料傳播溫度變化能力大小的指標。16.穩(wěn)態(tài)導熱：物體中各點溫度不隨時間而改 變的導熱過程。17.非穩(wěn)態(tài)導熱：物體中各點溫度隨時間而改變的導熱過程。18. 傅里葉定律

4、：在各向同性均質的導熱物體中，通過某導熱面積的熱流密度正比于該導熱面法向 溫度變化率。19. 定解條件(單值性條件)：使微分方程獲得適合某一特定問題解的附加條件，包括初始條件和邊界 條件。20. 熱輻射：由于物體部微觀粒子的熱運動狀態(tài)改變，而將部分能轉換成電磁波的能量發(fā)射出去的 過程。21. 吸收比：投射到物體表面的熱輻射中被物體所吸收的比例。22. 反射比：投射到物體表面的熱輻射中被物體表面所反射的比例。23. 黑體、透明體、白體24.透明體：透射比L 1的物體25. 黑度：實際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值，即物體發(fā)射能力接近黑體的程度。26. 輻射力：單位時間物體的單位輻射面積向

5、外界(半球空間)發(fā)射的全部波長的輻射能。27. 角系數(shù)：從表面1發(fā)出的輻射能直接落到表面2上的百分數(shù)°f 概念題1、試分析室暖氣片的散熱過程，各個環(huán)節(jié)有哪些熱量傳遞方式？以暖氣片管走熱水為例。答：有以下?lián)Q熱環(huán)節(jié)及傳熱方式：(1) 由熱水到暖氣片管道壁，熱傳遞方式為強制對流換熱；(2) 由暖氣片管道壁到外壁，熱傳遞方式為固體導熱；(3) 由暖氣片管道外壁到室空氣，熱傳遞方式有自然對流換熱和輻射換熱。2、試分析冬季建筑室空氣與室外空氣通過境壁的換熱過程，各個環(huán)節(jié)有哪些熱量傳遞方式？答：有以下?lián)Q熱環(huán)節(jié)及傳熱方式：(1) 室空氣到境體壁，熱傳遞方式為自然對流換熱和輻射換熱；(2) 埴的壁到外

6、壁，熱傳遞方式為固體導熱；(3) 境的外壁到室外空氣，熱傳遞方式有對流換熱和輻射換熱。3、分別寫出N八&、P八D數(shù)的表達式，并說明其物理意義。答：(1)努塞爾(Nusselt)數(shù)，/Vh = ,它表示表面上無量綱溫度梯度的大小。A(2) 雷諾(Reynolds)數(shù)，Re = ,它表示慣性力和粘性力的相對大小。V(3) 普朗特數(shù)，Pr = r,它表示動量擴散厚度和能量擴散厚度的相對大小。a(4) 畢渥數(shù)，=匕，它表示導熱體部熱阻與外部熱阻的相對大小。r az4、氣體、液體和固體的導熱機理分別是什么？按照導熱機理，水的氣、液、固三種狀態(tài)中那種狀態(tài) 的導熱系數(shù)最大？答：根據(jù)導熱機理可知，固體

7、導熱系數(shù)大于液體導熱系數(shù)；液體導熱系數(shù)大于氣體導熱系數(shù)。所以水 的氣、液、固三種狀態(tài)的導熱系數(shù)依次増大。5、熱擴散系數(shù)是表征什么的物理量？它與導熱系數(shù)的區(qū)別是什么？答：熱擴散率= A ,與導熱系數(shù)一樣都是物性參數(shù)，它是表征物體傳遞溫度的能力大小，亦稱為 0導溫系數(shù)，熱擴散率取決于導熱系數(shù)2和ZT的綜合影響；而導熱系數(shù)是反映物體的導熱能力大小 的物性參數(shù)。一般情況下，穩(wěn)態(tài)導熱的溫度分布取決于物體的導熱系數(shù)，但非穩(wěn)態(tài)導熱的溫度分布不 僅取決于物體的導熱系數(shù)，還取決于物體的導溫系數(shù)。6、灰體的含義？答：灰體是指物體單色輻射力與同溫度黑體單色輻射力隨波長的變化曲線相似，或它的單色發(fā)射率不 隨波長變化的

8、物體；或單色吸收比與波長無關的物體，即單色吸收比為常數(shù)的物體。(注：灰體與黑 體可以輻射的波長一樣，為連續(xù)全波段)7、影響對流換熱系數(shù)的因素有哪些？答：&分別寫出D、Nu. F。、P數(shù)的表達式，并說明D物理意義。答：(1)畢渥數(shù)，B嚴匕,它表示導熱體部導熱熱阻與外部對流換熱熱阻的相對大小。2(2) 努塞爾數(shù)，Nu = -f它表示壁面附近流體無量綱溫度梯度的大小，反映對流換熱過程的強度。(3) 傅立葉數(shù)，F(xiàn)<,=其,它表示非穩(wěn)態(tài)導熱過程的無量綱時間。（4）普朗特數(shù)，它表示動量擴散和能量擴散的相對大小，是反映流動邊界層厚度和熱邊界層 a厚度的相對大小。9、什么是物體表面的吸收比（率）

9、？它與哪些因素有關？答：物體對投入輻射所吸收的百分數(shù)稱為該物體的吸收比（率），物體的吸收比（率）只取決干物體的表面特性（物體的種類、表面狀況和溫度），對于全波長的特性還與投射能量的波長分布有關關。10、黑體輻射包括哪幾個定律？答：普朗克定律、維恩位移定律、斯蒂芬一玻爾茲曼定律、蘭貝特定律。11、寫出兩表面間輻射換熱中的角系數(shù)的表達式，并說明其物理意義。答：它表示A】表面發(fā)射出的輻射能中直接落到另一表面A?上的百分數(shù)?；蛘咚硎倦x開A】表面的輻射能中直接落到另一表面A?上的百分數(shù)。12、表面輻射熱阻答：當物體表面不是黑體時，該表面不能全部吸收外來投射的輻射能量，這相當于表面存在熱阻，該 熱阻稱為

10、表面輻射熱阻，常以匕來表示。As13、在寒冷的北方地區(qū)，建房用磚釆用實心磚還是多孔的空心磚好？為什么？答：釆用空心磚較好，因為空心磚部充滿著空氣，而空氣的導熱系數(shù)相對較小，熱阻較大，空心磚導熱性較之實心磚差，同一條件下空心磚的房間的散熱量小保溫性好。14、下列材料中導熱系數(shù)最大的是（純銅）（a）純銅（b）純鐵（c潢銅（d）天然金剛石15、為什么多層平壁中的溫度分布曲線不是一條連續(xù)的直線而是一條折線？16、什么是物體的發(fā)射率和吸收率？對于近距面積相等的平行大平面二者在什么條件下相等？答：實際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比稱為該物體的發(fā)射率；投射到物體表面的總能量中被吸收的能量所占的份額是

11、物體的吸收率。由基爾霍夫定律可知，熱平衡條件下，吸收率二發(fā)射率。17、窗玻璃對紅外線幾乎是不透過的，但為什么隔著玻璃曬太陽卻使人感到暖和？ 答：窗玻璃對紅外線幾乎不透過，但對可見光則是可透過的，當隔著玻璃曬太陽時，太可以穿過玻璃進入室, 而室物體發(fā)出的紅外線卻被阻隔在室，因房間溫度越來越髙，從而感到暖和。1&對流換熱過程微分方程式表達的物理意義是什么？與導熱過程的第三類邊界條件表達式有什么不同之 處？答：對流換熱過程微分方程式與導熱過程的第三類邊界條件表達式都可以用下式表示 h嚴一一-一- ,但是，前者的導熱系數(shù)久為流體的導熱系數(shù)，而且表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h是未知的；后者 的導熱系數(shù)久為固體的

12、導熱系數(shù)，而且表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h是已知的。19、什么是等溫線？在連續(xù)的溫度場中，等溫線的特點是什么？20、寫出傅立葉定律的數(shù)學表達式，并解釋其物理意義。21、輻射的特點有哪些？與熱對流、導熱的不同之處？二、計算題(一)計算題類型1、穩(wěn)態(tài)導熱問題(1) 單層及多層平壁導熱問題的計算，(2) 單層及多層圓筒壁導熱問題的計算探2、非穩(wěn)態(tài)導熱問題(要求理解且會應用)(1)公式法或諾謨圖法求解任意形狀物體(如熱電偶或平板)的瞬態(tài)冷卻或加熱問題。3、對流換熱問題(1) 外掠平板或管強制對流換熱問題在不同流態(tài)下的換熱分析及計算。(2) 橫掠單管及管強制對流換熱問題的計算。4、輻射換熱問題(1) 兩個非凹面組成的

13、封閉腔體，各個表面之間的輻射換熱問題的計算(2) 兩個平行平板之間的輻射換熱問題的計算(3) 綜合傳熱問題的計算(重點)(二)計算題例題1、室一根水產(chǎn)聖慕啊限務變汽管道，其保溫層外徑d=583 mm,外表面實測平均溫度及空氣 溫度分別為，此時空氣與管道外表面間的自然對流換熱的表（廊傳熱系數(shù)h=3.42 W/（m2K）,埴壁的溫度近似取為室空氣的溫度，保溫層外表面的發(fā)射率問：（1）此管道外壁的換熱必須考慮哪些熱量傳遞方式；（2）計算每米長度管道外壁的總散熱量。（12 分）解：（1）此管道外壁的換熱有輻射換熱和自然對流換熱兩種方式。（2）把管道每米長度上的散熱量記為s當僅考慮自然對流時，單位長度上

14、的自然對流散熱qt c = 7Ud - /?Ar =疋?（口 _ 卩/ ）=3.14 x 0.583 x 3.42 x （48 一 23）=156.5（W /;?/）近似地取境壁的溫度為室空氣溫度，于是每米長度管道外表面與室物體及境壁之間的輻射為:= 3.14x0.583x5.67xI0x0.9x（48+273）4-（23+273）4|=274.7（ VV/W）總的散熱量為 G = qlx + qKr = 156.5 + 274.7 = 431 2、一根直徑為lmm的銅導線，每米的電阻為2.22x10。導線外包有厚度為0.5mm,導熱系數(shù)為0.15W/（m-K）的絕緣層。限定絕緣層的最高溫度為

15、65°C，絕緣層的外表面溫度受環(huán)境影響，假 設為40。（3。試確定該導線的最大允許電流為多少?解：以長度為L的導線為例，導線通電后生成的熱量為廣RL ,其中的一部分熱量用干導線的升溫, 其熱量為込心少等-部分熱量通過絕熱層的導熱傳到大氣中，其熱量為: 根據(jù)能量守恒定律知：RL =e + AEnAE = rRL_e即F厲加22加厶= 123.7(A)(2)當導線達到最高溫度時，導線處于穩(wěn)態(tài)導熱，學= °Wrl_心-乜 必丄怕冬/吹_厶二士_ = 0, =33.98(W/?)，/吹= 33.98丄也一一ln-2 加 cL2/rxO1513. 空氣以10m/s速度外掠08m長的平

16、板，tf =80°C,rH. = 30°C ,計算該平板在臨界雷諾數(shù)心下的力八全板平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及換熱量。(層流時平板表面局部努塞爾數(shù)Mf,=0332/?”P嚴，紊 流時平板表面局部努塞爾數(shù)=0.0296/?嚴片,板寬為lm,已知心=5xl05,定性溫度r/n=55°C 時的物性參數(shù)為：2 = 2.87x10-2"/伽K), v = 18.46x10/h2/5, Pt = 0.697 )解：(1)根據(jù)臨界雷諾數(shù)求解由層流轉變到親流時的臨界長度t,n+/= 55°C,此時空氣得物性參數(shù)為：2 = 2.87xlO"2VV/(/nK),

17、 y = 18.46xIO'6/?2/5 , Pt = 0.697門MR/5xl()5xl846xlO"10= 0.92(m)由于板長是0.8m,所以，整個平板表面的邊界層的流態(tài)皆為層流Ni.=0.332尺"即3亠2he = 0.332 jRP3 = 0.332 2'S7(1()- x (5 x IO5),/2 x0.6971/3 = 7.41 (W/n2 - C) (2)板長為0.8m時，整個平板表面的邊界層的雷諾數(shù)為：R10x08=4.33xlOsv 1& 46x1 O'6全板平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：h = 0.6M y RjpF = 0.66

18、4 3：二1()_x(4 33 xlO5),/2 x0.6971/3 = 13.9(VV/«2 C)全板平均表面換熱量=hA(y-rM.) = 13.9x0.8x1x(80-30) = 557.9W4、溫度tf =50°C的空氣平行掠過一表面溫度為rM =100°C的平板表面，平板下表面絕熱。平板沿流動方向的長度為0.2m,寬度為0.lmo此時按平板長度計算的雷諾數(shù)/?r=6xl04。試確定:(1)平板表面與空氣間的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱量;(2)如果空氣的流速増大為原來的10倍時，其它條件不變，平板表面與空氣間的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱量。(層流時平板表面局部努塞

19、爾數(shù)=0.332/?嚴巴"，親流時平板表面平均努塞爾數(shù)血=(0037/?嚴-871)用",已知定性溫度rw=75°C時的物性參數(shù)為:兄= 0.0299"/伽K),£ =0.7)。解：空氣的定性溫度g =-(tf+tw) = 75叱，此時的物性參數(shù)為：A = 0.0299W/(m K)f P, =0.7 , 厶由于=6x104<5x105,屬層流流態(tài)。故h = 0.664+ R；dp；“ = 0.664斗翼x(6xl04)1/2x0.7,/3 = 2l.59(W/m2 C)換熱量=hA(tw-r,-) = 21.59x0.2x0.lx(100 - 50) = 21.59WR(2)若流速増加10倍，才1 =扌=10,