《傳熱學》第四版課后習題答案

1、傳熱學第一章思考題1 .試用簡練的語言說明導熱、對流換熱及輻射換熱三種熱傳遞方式之間的聯(lián)系和區(qū)別。答：導熱和對流的區(qū)別在于：物體內(nèi)部依靠微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，稱為導熱；對流 則是流體各部分之間發(fā)生宏觀相對位移及冷熱流體的相互摻混。聯(lián)系是：在發(fā)生對流換熱的同時必然伴 生有導熱。導熱、對流這兩種熱量傳遞方式，只有在物質(zhì)存在的條件下才能實現(xiàn)，而輻射可以在真空中傳播，輻射換熱時不僅有能量的轉(zhuǎn)移還伴有能量形式的轉(zhuǎn)換。2 .以熱流密度表示的傅立葉定律、牛頓冷卻公式及斯忒藩-玻耳茲曼定律是應(yīng)當熟記的傳熱學公式。試寫 出這三個公式并說明其中每一個符號及其意義。dtdtq答： 傅立葉定律：dx

2、,其中，q熱流密度；導熱系數(shù)；dx 沿x方向的溫度變化率，“一”表示熱量傳遞的方向是沿著溫度降低的方向。牛頓冷卻公式：q h(tw tf),其中，q熱流密度；h表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)； %固體表面溫度；tf 流體的溫度。4斯忒藩玻耳茲曼定律： q T，其中，q熱流密度；斯忒藩玻耳茲曼常數(shù)； t 輻射物體的熱力學溫度。3 .導熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及傳熱系數(shù)的單位各是什么？哪些是物性參數(shù)，哪些與過程有關(guān)？答： 導熱系數(shù)的單位是： W/(m.K); 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的單位是： W/(m2.K)； 傳熱系數(shù)的單位是： W/(m2K)。這三個參數(shù)中，只有導熱系數(shù)是物性參數(shù)，其它均與過程有關(guān)。4 .當熱量從壁面一側(cè)的流

3、體穿過壁面?zhèn)鹘o另一側(cè)的流體時，冷、熱流體之間的換熱量可以通過其中任何一 個環(huán)節(jié)來計算(過程是穩(wěn)態(tài)的)，但本章中又引入了傳熱方程式，并說它是“換熱器熱工計算的基本公式”。 試分析引入傳熱方程式的工程實用意義。答：因為在許多工業(yè)換熱設(shè)備中，進行熱量交換的冷、熱流體也常處于固體壁面的兩側(cè)，是工程技術(shù)中 經(jīng)常遇到的一種典型熱量傳遞過程。5 .用鋁制的水壺燒開水時，盡管爐火很旺，但水壺仍然安然無恙。而一旦壺內(nèi)的水燒干后，水壺很快就燒 壞。試從傳熱學的觀點分析這一現(xiàn)象。答：當壺內(nèi)有水時，可以對壺底進行很好的冷卻(水對壺底的對流換熱系數(shù)大)，壺底的熱量被很快傳走而不至于溫度升得很高；當沒有水時，和壺底發(fā)生對

4、流換熱的是氣體，因為氣體發(fā)生對流換熱的表面換j精選熱系數(shù)小，壺底的熱量不能很快被傳走，故此壺底升溫很快，容易被燒壞。6 .用一只手握住盛有熱水的杯子，另一只手用筷子快速攪拌熱水，握杯子的手會顯著地感到熱。試分析其 原因。答：當沒有攪拌時，杯內(nèi)的水的流速幾乎為零，杯內(nèi)的水和杯壁之間為自然對流換熱，自熱對流換熱的 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小，當快速攪拌時，杯內(nèi)的水和杯壁之間為強制對流換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，熱水有更多 的熱量被傳遞到杯壁的外側(cè)，因此會顯著地感覺到熱。7 .什么是串聯(lián)熱阻疊加原則，它在什么前提下成立？以固體中的導熱為例，試討論有哪些情況可能使熱量 傳遞方向上不同截面的熱流量不相等。答：在一個串聯(lián)的

5、熱量傳遞過程中，如果通過每個環(huán)節(jié)的熱流量都相同，則各串聯(lián)環(huán)節(jié)的總熱阻等于各 串聯(lián)環(huán)節(jié)熱阻的和。例如：三塊無限大平板疊加構(gòu)成的平壁。例如通過圓筒壁，對于各個傳熱環(huán)節(jié)的傳 熱面積不相等，可能造成熱量傳遞方向上不同截面的熱流量不相等。8 .有兩個外形相同的保溫杯 A與B,注入同樣溫度、同樣體積的熱水后不久，A杯的外表面就可以感覺到熱,而B杯的外表面則感覺不到溫度的變化，試問哪個保溫杯的質(zhì)量較好？答：B:杯子的保溫質(zhì)量好。因為保溫好的杯子熱量從杯子內(nèi)部傳出的熱量少，經(jīng)外部散熱以后，溫度變化很小，因此幾乎感覺不到熱。能量平衡分析31-3淋浴器的噴頭正常工作時的供水量一般為每分鐘1000cm。冷水通過電熱

6、器從15c被加熱到43C。試問電熱器的加熱功率是多少？為了節(jié)省能源，有人提出可以將用過后的熱水（溫度為38C）送入一個換熱器去加熱進入淋浴器的冷水。如果該換熱器能將冷水加熱到27C,試計算采用余熱回收換熱器后洗澡15min可以節(jié)省多少能源？1-12在一次測定空氣橫向流過單根圓管的對流換熱實驗中，得到下列數(shù)據(jù)：管壁平均溫度tw=69C,空氣溫度tf=20C,管子外徑 d=14mm,加熱段長 80mm,輸入加熱段的功率8.5w,如果全部熱量通過對流換熱傳給空氣，試問此時的對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)多大？ 解：根據(jù)牛頓冷卻公式q 2 rlh tw tf所以d tw tf =49.33W/(m 2 .k)第

7、二章思考題1試寫出導熱傅里葉定律的一般形式，并說明其中各個符號的意義。q= gradt答：傅立葉定律的一般形式為：tnx ，其中：gradt為空間某點的溫度梯度;n是通過j精選該點的等溫線上的法向單位矢量，指向溫度升高的方向；q為該處的熱流密度矢量。2已知導熱物體中某點在x,y,z三個方向上的熱流密度分別為qx,qy&qz,如何獲得該點的熱密度矢量?答：q qx i qy j qz k ,其中i , j,k分別為三個方向的單位矢量量。3試說明得出導熱微分方程所依據(jù)的基本定律。答：導熱微分方程式所依據(jù)的基本定律有：傅立葉定律和能量守恒定律。4試分別用數(shù)學語言將傳熱學術(shù)語說明導熱問題三種類型的邊界

8、條件。答： 第一類邊界條件:第二類邊界條件:第三類邊界條件:0 時，twfl()0 時(一)w f2( )x(-)w h(tw tf ) x5試說明串聯(lián)熱阻疊加原則的內(nèi)容及其使用條件。答：在一個串聯(lián)的熱量傳遞過程中，如果通過每個環(huán)節(jié)的熱流量都相同，則各串聯(lián)環(huán)節(jié)的總熱阻等于各串聯(lián) 環(huán)節(jié)熱阻的和。使用條件是對于各個傳熱環(huán)節(jié)的傳熱面積必須相等。7.通過圓筒壁的導熱量僅與內(nèi)、外半徑之比有關(guān)而與半徑的絕對值無關(guān)，而通過球殼的導熱量計算式卻與半徑的絕對值有關(guān)，怎樣理解？答：因為通過圓筒壁的導熱熱阻僅和圓筒壁的內(nèi)外半徑比值有關(guān)，而通過球殼的導熱熱阻卻和球殼的絕對直徑有關(guān)，所以絕對半徑不同時，導熱量不一樣。6

9、發(fā)生在一個短圓柱中的導熱問題，在下列哪些情形下可以按一維問題來處理？答：當采用圓柱坐標系，沿半徑方向的導熱就可以按一維問題來處理。8擴展表面中的導熱問題可以按一維問題來處理的條件是什么？有人認為，只要擴展表面細長，就可按一維 問題來處理，你同意這種觀點嗎？答：只要滿足等截面的直肋，就可按一維問題來處理。不同意，因為當擴展表面的截面不均時，不同截面上的熱流密度不均勻，不可看作一維問題。9肋片高度增加引起兩種效果：肋效率下降及散熱表面積增加。因而有人認為，隨著肋片高度的增加會出現(xiàn)一個臨界高度，超過這個高度后，肋片導熱熱數(shù)流量反而會下降。試分析這一觀點的正確性。答：錯誤，因為當肋片高度達到一定值時，

10、通過該處截面的熱流密度為零。通過肋片的熱流已達到最大值，不會因為高度的增加而發(fā)生變化。10在式（2-57）所給出的分析解中，不出現(xiàn)導熱物體的導熱系數(shù)，請你提供理論依據(jù)。答：由于式（2-57）所描述的問題為穩(wěn)態(tài)導熱，且物體的導熱系數(shù)沿x方向和y方向的數(shù)值相等并為常數(shù)。11有人對二維矩形物體中的穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源常物性的導熱問題進行了數(shù)值計算。矩形的一個邊絕熱， 其余三個 邊均與溫度為tf的流體發(fā)生對流換熱。你能預測他所得的溫度場的解嗎？答：能，因為在一邊絕熱其余三邊為相同邊界條件時，矩形物體內(nèi)部的溫度分布應(yīng)為關(guān)于絕熱邊的中心線對 稱分布。習題 平板2-6 火箭發(fā)動機燃燒室是直徑為 130mm的圓筒體，

11、厚2.1mm,導熱系數(shù)為23.2W/(m K)。圓筒壁外用液體 冷卻，外壁溫度為240Co測得圓筒體的熱流密度為 4.8X 106w/m2,其材料的最高允許溫度為 700C。試判斷 該燃燒室壁面是否工作于安全溫度范圍內(nèi)？解：2-14外徑為100mm的蒸氣管道，覆蓋密度為20 kg / m3的超細玻璃棉氈保溫。已知蒸氣管道外壁溫度為400C,希望保溫層外表面溫度不超過50 Co且每米長管道上散熱量小于163W,試確定所需的保溫層厚度。解：保溫材料的平均溫度為400 50 ”二 225t= 2C由附錄7查得導熱系數(shù)為-0.033 0.0023t 0.08475W/(m.K)ln d1 - t1 t

12、2d2 l代入數(shù)據(jù)得到 d2= 0.314mmd2 d1107mm所以22-46 一厚為7cm的平壁，一側(cè)絕熱，另一側(cè)暴露于溫度為30c的流體中，內(nèi)熱源 =0.3 106W/m3o對2流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為450W/(m .K) ,平壁的導熱系數(shù)為18W/(m.K) o試確定平壁中的最高溫度及其位置。思考題1 .試說明集總參數(shù)法的物理概念及數(shù)學處理的特點答：當內(nèi)外熱阻之比趨于零時，影響換熱的主要環(huán)節(jié)是在邊界上的換熱能力。而內(nèi)部由于熱阻很小而溫 度趨于均勻，以至于不需要關(guān)心溫度在空間的分布，溫度只是時間的函數(shù)，數(shù)學描述上由偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程、大大降低了求解難度。2 .在用熱電偶測定氣流白非

13、穩(wěn)態(tài)溫度場時，怎么才能改善熱電偶的溫度響應(yīng)特性？cv答：要改善熱電偶的溫度響應(yīng)特性，即最大限度降低熱電偶的時間常數(shù)c hA，形狀上要降低體面比，要選擇熱容小的材料，要強化熱電偶表面的對流換熱。3 .試說明無限大平板”物理概念，并舉出一二個可以按無限大平板處理的非穩(wěn)態(tài)導熱問題答；所謂“無限大”平板，是指其長寬尺度遠大于其厚度，從邊緣交換的熱量可以忽略不計，當平板兩側(cè)換熱均勻時，熱量只垂直于板面方向流動。如薄板兩側(cè)均勻加熱或冷卻、爐墻或冷庫的保溫層導熱等情況可以按無限大平板處理。4 . 什么叫非穩(wěn)態(tài)導熱的正規(guī)狀態(tài)或充分發(fā)展階段?這一階段在物理過程及數(shù)學處理上都有些什么特點?答：非穩(wěn)態(tài)導熱過程進行到

14、一定程度,初始溫度分布的影響就會消失，雖然各點溫度仍隨時間變化,但過余溫度的比值已與時間無關(guān)，只是幾何位置（ x/ ）和邊界條件（Bi 數(shù) ）的函數(shù)，亦即無量綱溫度分布不變，這一階段稱為正規(guī)狀況階段或充分發(fā)展階段。這一階段的數(shù)學處理十分便利，溫度分布計算只需取無窮級數(shù)的首項進行計算。5 . 有人認為,當非穩(wěn)態(tài)導熱過程經(jīng)歷時間很長時,采用圖3-7 記算所得的結(jié)果是錯誤的.理由是：這個圖表明物體中各點的過余溫度的比值與幾何位置及Bi 有關(guān) ,而與時間無關(guān).但當時間趨于無限大時,物體中各點的溫度應(yīng)趨近流體溫度,所以兩者是有矛盾的。你是否同意這種看法,說明你的理由。答：我不同意這種看法，因為隨著時間的

15、推移，雖然物體中各點過余溫度的比值不變但各點溫度的絕對值在無限接近。這與物體中各點溫度趨近流體溫度的事實并不矛盾。6 . 試說明 Bi 數(shù)的物理意義。Bi o 及 Bi 各代表什么樣的換熱條件?有人認為, Bi 代表了絕熱工況 , 你是否贊同這一觀點,為什么 ?答； Bi 數(shù)是物體內(nèi)外熱阻之比的相對值。Bi o 時說明傳熱熱阻主要在邊界，內(nèi)部溫度趨于均勻，可以用集總參數(shù)法進行分析求解；Bi 時，說明傳熱熱阻主要在內(nèi)部，可以近似認為壁溫就是流體溫度。認為 Bi o 代表絕熱工況是不正確的，該工況是指邊界熱阻相對于內(nèi)部熱阻較大，而絕熱工況下邊界熱阻無限大。7 . 什么是分非穩(wěn)態(tài)導熱問題的乘積解法,

16、他的使用條件是什么?答； 對于二維或三維非穩(wěn)態(tài)導熱問題的解等于對應(yīng)幾個一維問題解的乘積，其解的形式是無量綱過余溫度，這就是非穩(wěn)態(tài)導熱問題的乘積解法，其使用條件是恒溫介質(zhì)，第三類邊界條件或邊界溫度為定值、初始溫度為常數(shù)的情況。8 .什么是”半無限大”的物體?半無限大物體的非穩(wěn)態(tài)導熱存在正規(guī)階段嗎?答：所謂“半大限大”物體是指平面一側(cè)空間無限延伸的物體：因為物體向縱深無限延伸，初臉溫度的影響永遠不會消除，所以半死限大物體的非穩(wěn)念導熱不存在正規(guī)狀況階段。9 .冬天，72的鐵與600的木材摸上去的感覺一樣嗎，為什么？10 .本章的討論都是對物性為常數(shù)的情形作出的,對物性溫度函數(shù)的情形,你認為怎樣獲得其

17、非穩(wěn)態(tài)導熱的溫度場?2答：從分析解形式可見，物體的無量綱過余溫度是傅立葉數(shù)（/l ）的負指數(shù)函數(shù)，即表示在相同尺寸及換熱條件下，導溫系數(shù)越大的物體到達指定溫度所需的時間越短、這正說明導溫系數(shù)所代表的物理含義。習題集總參數(shù)法分析3 6 一初始溫度為t 0的物體，被置于室溫為t 的房間中。物體表面的發(fā)射率為，表面與空氣間的換熱系j 精選數(shù)為ho物體的體集積為 V,參數(shù)與換熱的面積為 A,比熱容和密度分別為 c及 。物體的內(nèi)熱阻可忽略不計， 試列出物體溫度隨時間變化的微分方程式。解：由題意知，固體溫度始終均勻一致，所以可按集總熱容系統(tǒng)處理固體通過熱輻射散到周圍的熱量為：qiA(T4 T4)固體通過對

18、流散到周圍的熱量為：q2 hA(T T )固體散出的總熱量等于其始的減小dtqi q2cv -d即_4_ 4_ _dtA(T T ) hA(T T )cv d3-15 一種火焰報警器采用低熔點的金屬絲作為傳熱元件，當該導線受火焰或高溫煙氣的作用而熔斷時報警3系統(tǒng)即被觸發(fā)，一報警系統(tǒng)的熔點為5000C,210W/(m K),7200kg/m , c 420J/(kg K),初始溫度為250Go問當它突然受到 6500c煙氣加熱后，為在imin內(nèi)發(fā)生報警訊號，導線的直徑應(yīng)限在多少以2下?設(shè)復合換熱器的表面換熱系數(shù)為12W/(m K) O解：采用集總參數(shù)法得：/ hA 一 exp( )0cv ,要使

19、元件報警則5000c500 650, hA 、exX )25 650cv ，代入數(shù)據(jù)得 D- 0.669mm驗證Bi數(shù)：Bi h(V/A) hD 0.0095 10 3 0.054,故可采用集總參數(shù)法。3-51、已知：要在寒冷地區(qū)埋設(shè)水管，把地球簡化成半無限大的物體，冬天用較長時間內(nèi)地球表面突然處于，一 一 72 ,較低的平均溫度這樣一種物理過程來模擬。某處地層的a 1.65 10 m /s,地球表面溫度由原來均與的150c突然下降到-20 C ,并達50天之久。求：估算為使埋管上不出現(xiàn)霜凍而必須的最淺埋設(shè)深度。解：埋管的深度應(yīng)使五十天后該處的溫度仍大于等于零度。t x,tx0 200.571

20、40.56因而得t0 tx1520,由誤差函數(shù)表查得2Va,所以 x 2 0.267a- 2 0.56 71.65 10 2 50 24 3600 0.946m o第四章離散方程的建立4-5、試將直角坐標中的常物性無內(nèi)熱源的二維穩(wěn)態(tài)導熱微分方程化為顯式差分格式，并指出其穩(wěn)定性條件x y) o解：常物性無內(nèi)熱源二維非穩(wěn)態(tài)方程微分方程為22t 2t2t-a 22xy擴散項取中心差分，非穩(wěn)態(tài)項取向前差分:tni 1 tniti 2ti titn 1 tntn 12xti 2t i titn 1 n tn 12yj精選所以有J 1tn a1t n 12a穩(wěn)定性條件Fo xFo y1/2第五章復習題1、

21、試用簡明的語言說明熱邊界層的概念。答：在壁面附近的一個薄層內(nèi)，流體溫度在壁面的法線方向上發(fā)生劇烈變化，而在此薄層之外，流體的 溫度梯度幾乎為零，固體表面附近流體溫度發(fā)生劇烈變化的這一薄層稱為溫度邊界層或熱邊界層。22A/ x ，因此僅適用于邊界層內(nèi),2、與完全的能量方程相比，邊界層能量方程最重要的特點是什么?答：與完全的能量方程相比，它忽略了主流方向溫度的次變化率不適用整個流體。3、式（54）與導熱問題的第三類邊界條件式（217）有什么區(qū)別?h答：(1)h(twtf)h(211)式（5 4）中的h是未知量，而式（217）中的h是作為已知的邊界條件給出，此外（217）中的 為固體導熱系數(shù)而此式為

22、流體導熱系數(shù)，式（5 4）將用來導出一個包括 h的無量綱數(shù)，只是局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而整個換熱表面的表面系數(shù)應(yīng)該把牛頓冷卻公式應(yīng)用到整個表面而得出。4、式（54）表面，在邊界上垂直壁面的熱量傳遞完全依靠導熱，那么在對流換熱中，流體的流動起什么作 用？答：固體表面所形成的邊界層的厚度除了與流體的粘性有關(guān)外還與主流區(qū)的速度有關(guān)，流動速度越大，邊界層越薄，因此導熱的熱阻也就越小，因此起到影響傳熱大小5、對流換熱問題完整的數(shù)字描述應(yīng)包括什么內(nèi)容？既然對大多數(shù)實際對流傳熱問題尚無法求得其精確解, 么建立對流換熱問題的數(shù)字描述有什么意義？答：對流換熱問題完整的數(shù)字描述應(yīng)包括：對流換熱微分方程組及定解條件，定

23、解條件包括，（1）初始條件（2）邊界條件 （速度、壓力及溫度）建立對流換熱問題的數(shù)字描述目的在于找出影響對流換熱中各物理量之間的相互制約關(guān)系， 每一種關(guān)系都必須滿足動量，能量和質(zhì)量守恒關(guān)系，避免在研究遺漏某種物理因素。hx 0.332 Re；2 Pr13x0.332 0.0293 .1.538 105 0.695 112.6W m2 K0.03比擬理論5-13.來流溫度為20C、速度為4m/s空氣沿著平板流動，在距離前沿點為2m處的局部切應(yīng)力為多大?如果平板溫度為50C,該處的對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是多少？第六章復習題1、什么叫做兩個現(xiàn)象相似，它們有什么共性？答：指那些用相同形式并具有相同內(nèi)容的

24、微分方程式所描述的現(xiàn)象，如果在相應(yīng)的時刻與相應(yīng)的地點上與現(xiàn)象有關(guān)的物理量一一對于成比例，則稱為兩個現(xiàn)象相似。凡相似的現(xiàn)象，都有一個十分重要的特性，即描述該現(xiàn)象的同名特征數(shù)（準則）對應(yīng)相等。（1） 初始條件。指非穩(wěn)態(tài)問題中初始時刻的物理量分布。（2） 邊界條件。所研究系統(tǒng)邊界上的溫度（或熱六密度）、速度分布等條件。（3） 幾何條件。換熱表面的幾何形狀、位置、以及表面的粗糙度等。（4） 物理條件。物體的種類與物性。2 .試舉出工程技術(shù)中應(yīng)用相似原理的兩個例子.3 .當一個由若干個物理量所組成的試驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)目較少的無量綱以后，這個試驗數(shù)據(jù)的性質(zhì)起了什么變化？4.外掠單管與管內(nèi)流動這兩個流動現(xiàn)象在

25、本質(zhì)上有什么不同？5、對于外接管束的換熱，整個管束的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)只有在流動方向管排數(shù)大于一定值后才與排數(shù)無 關(guān)，試分析原因。答：因后排管受到前排管尾流的影響（擾動）作用對平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響直到10排管子以上的管子才能消失。6、試簡述充分發(fā)展的管內(nèi)流動與換熱這一概念的含義。答：由于流體由大空間進入管內(nèi)時，管內(nèi)形成的邊界層由零開始發(fā)展直到管子的中心線位置，這種影響才不發(fā)生變法，同樣在此時對流換熱系數(shù)才不受局部對流換熱系數(shù)的影響。7、什么叫大空間自然對流換熱？什么叫有限自然對流換熱？這與強制對流中的外部流動和內(nèi)部流動有什么異同?答：大空間作自然對流時，流體的冷卻過程與加熱過程互不影響，當其流

26、動時形成的邊界層相互干擾時, 稱為有限空間自然對流。這與外部流動和內(nèi)部流動的劃分有類似的地方，但流動的動因不同，一個由外在因素引起的流動，一個 是由流體的溫度不同而引起的流動。8 .簡述射流沖擊傳熱時被沖擊表面上局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分布規(guī)律.9 .簡述Nu數(shù)，Pr數(shù)，Gr數(shù)的物理意義.Nu數(shù)與Bi數(shù)有什么區(qū)別?10 .對于新遇到的一種對流傳熱現(xiàn)象，在從參考資料中尋找換熱的特征數(shù)方程時要注意什么? 相似原理與量綱分析61、在一臺縮小成為實物1/8的模型中，用200C的空氣來模擬實物中平均溫度為2000c空氣的加熱過程。實物中空氣的平均流速為6.03m/s,問模型中的流速應(yīng)為若干？若模型中的平均表面

27、傳熱系數(shù)為195W/(m2K),求相應(yīng)實物中的值。 在這一實物中，模型與實物中流體的 Pr數(shù)并不嚴格相等，你認為這樣的模 化試驗有無實用價值？解： 根據(jù)相似理論，模型與 實物中的Re應(yīng)相等 空氣在20 C和200 C時的物性參數(shù)為：20C： 1 15.06 10 6m2/s, 1 2.59 10 2W/mK,Pr1 0.703200 C:2 34.85 10 6m2/s, 2 3.93 10 2W/m K,Pr2 0.680由uj U2L121 I 15.06 u1 ()(-)u2-86.0320.85m/s2 ll 34.85又 Nu1 Nu2得：h2 %(上)(上)195l213.932.

28、5936.99W/(m2 K)上述?；囼?，雖然模型與流體的Pr數(shù)并不嚴格相等，但十分相近 這樣的?；囼炇怯袑嵱脙r值的。5614、已知：1.013 10 Pa下的仝氣在內(nèi)徑為76mm的直官內(nèi)流動，入口溫度為 65C,入口體積流重 3為0.022m /s,管壁的平均溫度為 180C。求：管子多長才能使空氣加熱到115C。65 115 90解：定性溫度f 2C,相應(yīng)的物性值為：0972kg/m3Cp 1.009kJ/ kg K ,3.13 10 2W/ m K ,21.5 10 6kg/ m s , Pr 0.6903在入口溫度下，1.0045kg/m ,故進口質(zhì)量流量: 3_3 _2m 0.0

29、22m3/s 1.0045kg/m3 2.298 10 2kg/sRe4m4 2.298 10 2 106d 3.1416 0.076 21.517906 104，先按l/d 60計,Nu00.023 179060.8 0.690.450.08, h50.08 0.03130.07620.62W/ m2 K空氣在 115 C時，Cp 1.009kJ/kg K , 65 c時,Cp 1.007kJ/kg故加熱空氣所需熱量為:mcpt Cpt0.022981.009310 115 1.00710365 1162.3W采用教材P165上所給的大溫差修正關(guān)系式:CtTfTw0.53273 900.53

30、0.53363所需管長:l dhtw tfl/dCf 16-33、已知:273 1804530.8851162.33.1416 0.076 20.62 0.885 180 902.96m2.96/0.076 38.6 60,需進行短管修正。采用式（5-64）的關(guān)系式:d/l 07 1.0775,所需管長為2.96/1.0775=2.75m 。直徑為0.1mm的電熱絲與氣流方向垂直的放置，來流溫度為 20 C,電熱絲溫度為40 C,加熱功率為17.8W/m。略去其它的熱損失。求：此時的流速。解:ql h d twqld twtf1758 2833W/ m2 K0.1 10 5 40 20t tm

31、定性溫度20 4030C,0.0267W/16 10m2/s,Pr 0.701Nu28330.02670.1 1010.61o先按表5-5中的第三種情況計算,Re側(cè)Nu1/0.46610.612.1459故得:0.6830.683360,符合第二種情形的適用范圍。-Re d1610 6 36030.1 1057.6m/ so第七章思考題1 .什么叫膜狀凝結(jié)，什么叫珠狀凝結(jié)？膜狀凝結(jié)時熱量傳遞過程的主要阻力在什么地方?答：凝結(jié)液體在壁面上鋪展成膜的凝結(jié)叫膜狀凝結(jié)，膜狀凝結(jié)的主要熱阻在液膜層，凝結(jié)液體在壁面上形成 液珠的凝結(jié)叫珠狀凝結(jié)。2 .在努塞爾關(guān)于膜狀凝結(jié)理論分析的8條假定中，最主要的簡化假

32、定是哪兩條？答：第3條，忽略液膜慣性力，使動量方程得以簡化；第5條，膜內(nèi)溫度是線性的，即膜內(nèi)只有導熱而無對流，簡化了能量方程。3 .有人說，在其他條件相同的情況下.水平管外的凝結(jié)換熱一定比豎直管強烈，這一說法一定成立? 答；這一說法不一定成立，要看管的長徑比。t ts tw 10 c的水平管外凝結(jié),4 .為什么水平管外凝結(jié)換熱只介紹層流的準則式？常壓下的水蒸氣在 如果要使液膜中出現(xiàn)湍流，試近似地估計一下水平管的直徑要多大 答：因為換熱管徑通常較小，水平管外凝結(jié)換熱一般在層流范圍。Re對于水平橫圓管：4 dh ts tw2 3h 0.729 -gd ts tw臨界雷諾數(shù)Rec9.161d 34

33、ts tw 3454 r 343 .141600由ts100 C,查表：r 2257kJ/kg由tp95 C,查表:961.85kg/m30.6815W/ m?K298.7 10 6kg/m?s3r976.312.07m2 3 13ts tw g即水平管管徑達到 2.07m時，流動狀態(tài)才過渡到湍流。5 .試說明大容器沸騰的 q t曲線中各部分的換熱機理 。6 .對于熱流密度可控及壁面溫度可控的兩種換熱情形，分別說明控制熱流密度小于臨界熱流密度及溫差小于臨界溫差的意義，并針對上述兩種情形分別舉出一個工程應(yīng)用實例。答：對于熱流密度可控的設(shè)備，如電加熱器，控制熱流密度小于臨界熱流密度，是為了防止設(shè)備

34、被燒毀，對于壁溫可控的設(shè)備，如冷凝蒸發(fā)器，控制溫差小于臨界溫差，是為了防止設(shè)備換熱量下降。7 .試對比水平管外膜狀凝結(jié)及水平管外膜態(tài)沸騰換熱過程的異同。答：穩(wěn)定膜態(tài)沸騰與膜狀凝結(jié)在物理上同屬相變換熱，前者熱量必須穿過熱阻較大的汽膜，后者熱量必須穿過熱阻較大的液膜，前者熱量由里向外，后者熱量由外向里。8 .從換熱表面的結(jié)構(gòu)而言，強化凝結(jié)換熱的基本思想是什么？強化沸騰換熱的基本思想是什么？答：從換熱表面的結(jié)構(gòu)而言，強化凝結(jié)換熱的基本思想是盡量減薄粘滯在換熱表面上液膜的厚度，強化沸騰換熱的基本思想是盡量增加換熱表面的汽化核心數(shù)。9 .在你學習過的對流換熱中.表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算式中顯含換熱溫差的有哪幾種

35、換熱方式？其他換熱方式中不顯含溫差是否意味著與溫差沒有任何關(guān)系？答：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算式中顯含換熱溫差的有凝結(jié)換熱和沸騰換熱。不顯含溫差并不意味著與溫差無關(guān)，溫 差的影響隱含在公式適用范圍和物件計算中。10 .在圖7-14所示的沸騰曲線中，為什么穩(wěn)定膜態(tài)沸騰部分的曲線會隨t的增加而迅速上升？答：因為隨著壁面過熱度的增加，輻射換熱的作用越加明顯。習題7-10、一工廠中采用 0.1MPa的飽和水蒸汽在一金屬豎直薄壁上凝結(jié)，對置于壁面另一側(cè)的物體進行加熱處理。已知豎壁與蒸汽接觸的表面的平均壁溫為70C,壁高1.2m.寬30cm。在此條件下，一被加熱物體的平均溫度可以在半小時內(nèi)升高30 ,熱確定這一物體

36、的平均效容量。不考慮散熱損失。解：近似地取ts=100C,tmtw 852 ol 968.6kg/m3 l0.677W/(m.K) ul 335 10 6kg/(ms) r 2257.1 103 J/kg1.13設(shè)為層流h=314l623141 13 9.8 2.257 10 產(chǎn)“50.37745431.7W/(m2.k)335 10 6 1.2 30c 4hL tRe rul4 5431.7 1.2 302.257 106335 10 61034.5 1600,與假設(shè)一致。Q Ah(tstw)5431.71.2 30 58.66kW平均熱容量7-35、水在 1.013x10358.66 10

37、3 180063.52 106J/K305Pa的壓力下作飽和沸騰時，要使直徑為0.1mm及1mm的汽泡能在水中存在并長大,加熱面附近水的過熱度各為多少？（利用克拉貝龍方程導出最小汽泡半徑算式的過程，可見本書第一版節(jié)。）解：氣泡內(nèi)介質(zhì)與周圍流體達到熱平衡時，有c 2 TsR:s-r v Ti TsTiTs,即2 TsRr v ,要使氣泡長大，應(yīng)使100 c時,有:588.6 10 4 N/m, r2257.1kJ/kg, v0.5977 kg因而:2 5886 10 4 37374 3 - Z0.1 10 4 2257.1 103 0.59770.325C,當 R= 1mm,t 0.0325C

38、.第八章1 .什么叫黑體？在熱輻射理論中為什么要引入這一概念?2 .溫度均勻得空腔壁面上的小孔具有黑體輻射的特性，那么空腔內(nèi)部壁面的輻射是否也是黑體輻射?3 .試說明，為什么在定義物體的輻射力時要加上“半球空間及全部波長”的說明?4 .黑體的輻射能按波長是怎樣分布的？光譜吸收力Eb的單位中分母的m3代表什么意義?5 .黑體的輻射按空間方向是怎樣分布的？定向輻射強度與空間方向無關(guān)是否意味著黑體的輻射能在半球空間各方向上是均勻分布的?6 .什么叫光譜吸收比？在不同光源的照耀下，物體常呈現(xiàn)不同的顏色，如何解釋?7 .對于一般物體，吸收比等于發(fā)射率在什么條件下才成立?8,說明灰體的定義以及引入灰體的簡

39、化對工程輻射傳熱計算的意義.9.黑體的輻射具有漫射特性.如何理解從黑體模型（溫度均勻的空腔器壁上的小孔）發(fā)出的輻射能也具有漫射特性呢?8-11、把地球作為黑體表面，把太陽看成是T=5800 C的黑體，試估算地球表面溫度。已知地球直徑為1.29 107 m，太陽直徑為 1.39 109m,兩者相距111.5 10 m。地球?qū)μ盏妮椛淇梢暈?K黑體空間的輻射。解：如圖所示。地球投影面積對太陽球心的張角為:4 1.29 10711 21.5 1011_ _140.785 1.6641 10_ _222.25 10220.5806 10 8（球面角）0.5806 10 84 3.14104.6226

40、 10。地球表面的空間輻射熱平衡為:S.C2 _ _4 R sum o4.62310 10AeEbeS.C 0,人4 Re24 3.1421.29 10221.29一 4 一 4oTe , oTe43.141.29 10724 RsumoTsum4 4.623 10 107 210 Tr1.399 2106Tsum 4.6231010Tc Tsum 1.392 1018 4.623 10 10 10 14/1.292 1 6 1 46 1 45800 1.9321 4.6231.6641 105800 5.3675 105800 1.5221/31.62 279.2K o 298-13、從太陽

41、投射到地球大氣層外表面的輻射能經(jīng)準確測定為1353W/ m。太陽直徑為1.39 10 m，兩者相11距1.5 10 mo若認為太陽是黑體，試估計其表面溫度。解：太陽看成一個點熱源，太陽投射在地球上的輻射總量為Qsun11 2Qsun = 1353 41.5 10115.671.39 10100所以 T=5774K第九章思考題1、試述角系數(shù)的定義。角系數(shù)是一個純幾何因子”的結(jié)論是在什么前提下得出的？答：表面1發(fā)出的輻射能落到表面 2上的份額稱為表面對表面2的角系數(shù)。角系數(shù)是一個純幾何因子”的結(jié)論是在物體表面性質(zhì)及表面濕度均勻、物體輻射服從蘭貝特定律的前提下得出的。2、角系數(shù)有哪些特性？這些特性的

42、物理背景是什么 ？答：角系數(shù)有相對性、完整性和可加性。相對性是在兩物體處于熱平衡時，凈輻射換熱量為零的條件下導得的；完整性反映了一個由幾個表面組成的封閉系統(tǒng)中。任一表面所發(fā)生的輻射能必全部落到封閉系統(tǒng)的各個表面上；可加性是說明從表面1發(fā)出而落到表面 2上的總能量等于落到表面 2上各部份的輻射能之和。3、為什么計算一個表面與外界之間的凈輻射換熱量時要采用封閉腔的模型？答：因為任一表面與外界的輻射換熱包括了該表面向空間各個方向發(fā)出的輻射能和從各個方向投入到該表面上的輻射能。4、實際表面系統(tǒng)與黑體系統(tǒng)相比，輻射換熱計算增加了哪些復雜性？答：實際表面系統(tǒng)的輻射換熱存在表面間的多次重復反射和吸收，光譜輻

43、射力不服從普朗克定律，光譜吸收比與波長有關(guān)，輻射能在空間的分布不服從蘭貝特定律，這都給輻射換熱計算帶來了復雜性。5、什么是一個表面的自身輛射、投入輻射及有效輻射？有效輻射的引入對于灰體表面系統(tǒng)輻射換熱的計算有什么作用？答：由物體內(nèi)能轉(zhuǎn)變成輻射能叫做自身輻射，投向輻射表而的輻射叫做投入輻射，離開輻射表面的輻射叫 做有效輻射，有效輻射概念的引入可以避免計算輻射換熱計算時出現(xiàn)多次吸收和反射的復雜性。6、對于溫度已知的多表面系統(tǒng)，試總結(jié)求解每一表面凈輻射換熱量的基本步驟。答：（1）畫出輻射網(wǎng)絡(luò)圖，寫出端點輻射力、表面熱阻和空間熱阻；（2）寫出由中間節(jié)點方程組成的方程組；（3）解方程組得到各點有效輻射；

44、（4）由端點輻射力，有效輻射和表面熱阻計算各表面凈輻射換熱量。7、什么是輻射表面熱阻？什么是輻射空間熱阻？網(wǎng)絡(luò)法的實際作用你是怎樣認識的？答：出輻射表面特性引起的熱阻稱為輻射表面熱阻，由輻射表面形狀和空間位置引起的熱阻稱為輻射空間 熱阻，網(wǎng)絡(luò)法的實際作用是為實際物體表面之間的輻射換熱描述了清晰的物理概念和提供了簡潔的解題方法。8、什么是遮熱板？試根據(jù)自己的切身經(jīng)歷舉出幾個應(yīng)用遮熱板的例子。答：所謂遮熱板是指插人兩個輻射表面之間以削弱換熱的薄板。如屋頂隔熱板、遮陽傘都是我們生活中應(yīng)用遮熱板的例子。9、試述氣體輻射的基本特點。10、什么是氣體輻射的平均射線程長？離開了氣體所處的幾何空間而談?wù)摎怏w的

45、發(fā)射率與吸熱比有沒有實際意義？11、按式（9-29）當s很大時氣體的，s趨近于1.能否認為此時的氣體層具有黑體的性質(zhì)？12、9.5.1節(jié)中關(guān)于控制表面熱阻的討論是對圖9-37所示的同心圓柱面系統(tǒng)進行的，其結(jié)論對于像圖9-15a所示的兩表面封閉系統(tǒng)是否也成立？13、圖9-39所示的電子器件機箱冷卻系統(tǒng)中，印制板上大功率元件布置在機箱出口處，試分析其原因。9-6、試用簡捷方法確定本題附圖中的角系數(shù)X1,2。（亡）羋薄內(nèi)表面與ins*j#與無？a大手函習題解：（1）因為X2,1 1X A 2R1,2 A 2 R 3/40.4244（2）因為 X2,1 1X12 & Ry 0.5A 2 R2（3）參考

46、（2）,具有對稱性,X1,2= 0.5/4 0.125（4）假設(shè)在球得頂面有另一塊 無限大平板存在，由對稱性知X1,2= 0.5實際物體表面的輻射換熱9-23、兩塊平行放置的平板表面發(fā)射率均為0.8 ,溫度t1=5270C及t2=27C,板間遠小于板的寬度與高度。試計算：（1）板1的自身輻射；（2）對板1的投入輻射；（3）板1的反射輻射；（4）板1的有效輻射；（5）板2的 有效輻射（6）板1、2間的輻射換熱量。解：板1的本身輻射 E1Eb1 0.8 5.67 10 8 (527 273)4一 一一 218579.5W/m(2)對板1的投入輻射：首先計算兩板間的換熱 量：_844Eb1 Eb25

47、.67 10(800 300 )q1 2 二1/ 1 1/ 2 12/0.8 115176.7W/m2由 J1 G1% 2 J1 E1 G1(1)貝UG1 (E1q12)/(18 579.5 15176.7 )/0.8 4253.5W/m2(3)板1的反射輻射：G1(1)=4 253.5 (1 0.8) 850.7W/m2(4)板1的有效輻射 _ 2J1 E1 G1(1)=18579.5 850.7 19 430.2W/m(5)板2的有效輻射：J2 G1 4 253.5W/m2(6)板1,2間的輻射換熱量：2q1 2= 15176.7W/m9-45、已知：用裸露的熱電偶測定圓管氣流的溫度，熱電

48、偶的指示值為t1 = 170Co管壁溫度tw = 90C,氣流對熱節(jié)點的對流換熱系數(shù)為h = 50W/ ( m2 K),熱節(jié)點表面發(fā)射率為=0.6。求：氣流的真實溫度及測溫誤差。解：h tf t1_ 4_ 40 T1Twtft1C01001001700.6 5.6750_ 4 一 一44.433.63170 14.4 184.4C,測溫誤差:184.4 170184.4100%7.8%o CCCA，/ _2._, 一一 、I -、，9-60、已知：在一個刮風的日子里，太陽投射到一幢大樓的平屋頂上的輻射能為980W/m ,屋頂與溫度為e225c的氣流間的對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為25W/(m K)

49、 o天空可以看著為-10 C的黑體。屋頂材料對太陽能的吸收比為0.6 ,自身發(fā)射率為0.2。求：屋頂表面在穩(wěn)態(tài)下的溫度。4T1002.334解：穩(wěn)態(tài)下屋頂所吸收的太陽能等于其向環(huán)境的字讓對流及輻射換熱量，0.6 980 25 (T 298) 0.2 5.67即：4T25T 8071.4 1.134由此得：100 ,解得：T 318.2K。思考題第十章1、所謂雙側(cè)強化管是指管內(nèi)側(cè)與管外側(cè)均為強化換熱表面得管子。設(shè)一雙側(cè)強化管用內(nèi)徑為di、外徑為do的光管加工而成，試給出其總傳熱系數(shù)的表達式，并說明管內(nèi)、外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算面積。t1ln(do/di)1ho do 0 0得以管內(nèi)表面為基準得傳熱系

50、數(shù):k 11d11n(d0/d1)d1h1 1 12hodo oo管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)得計算面積為d1 1管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)得計算面積為do o2、在圓管外敷設(shè)保溫層與在圓管外側(cè)設(shè)置肋片從熱阻分析的角度有什么異同？在什么情況下加保溫層反而 會強化其傳熱而肋片反而會削弱其傳熱？答：在圓管外敷設(shè)保溫層和設(shè)置肋片都使表面換熱熱阻降低而導熱熱阻增加，而一般情況下保溫使導熱熱阻增加較多，使換熱熱阻降低較少，使總熱阻增加，起到削弱傳熱的效果；設(shè)置肋片使導熱熱阻 增加較少，而換熱熱阻降低較多，使總熱阻下降，起到強化傳熱的作用。但當外徑小于臨界直徑時，增加保溫層厚度反而會強化傳熱。理論上只有當肋化系數(shù)與肋面總效率的

51、乘積小于1時，肋化才會削弱傳熱。3、重新討論傳熱壁面為平壁時第二題中提出的問題。答：傳熱壁面為平壁時，保溫總是起削弱傳熱的作用，加肋是否起強化傳熱的作用還是取決于肋化系數(shù)與肋面總效率的乘積是否人于1。這些假設(shè)在推導的哪些環(huán)節(jié)中加4、推導順流或逆流換熱器的對數(shù)平均溫差計算式時做了一些什么假設(shè),以應(yīng)用？討論對大多數(shù)間壁式換熱器這些假設(shè)的適用情形。5、對于qm1C1qm2C2、qm1C1qm2C2及Qm21qm2c2三種情形，畫出順流與逆流時冷、熱流體溫度沿流動方向的變化曲線，注意曲線的凹向與qmc相對大小的關(guān)系。6、進行傳熱器設(shè)計時所以據(jù)的基本方程是哪些？有人認為傳熱單元數(shù)法不需要用到傳熱方程式，你同意嗎？答：換熱器設(shè)計所依據(jù)的基本方程有:qm（t1t1 ） qm2c2。2 t2 ） KA tm傳熱單元法將傳熱方程隱含在傳熱單元和效能之中。試以順流換熱器效能的計算式推導7、在傳熱單元數(shù)法中有否用到推導對數(shù)平均溫差時所做的基本假設(shè), 過程為例予以說明。答：傳熱單元數(shù)法中也用到了推導平土溫差時的基本假設(shè)，說明略。j精選8、什么叫換熱器的設(shè)計計算，什么叫校核計算？答：已知流體及換熱參數(shù)，設(shè)計一個新的換熱器的過程叫做設(shè)計計算，對已有的換熱器，根據(jù)流體 參數(shù)計算其換熱量和流體出口參數(shù)的過程叫做校核計算。9