(完整版)傳熱學(xué)期終考試題答案A卷詳解

1、哈爾濱工程大學(xué)本科生考試試卷（2012年秋季學(xué)期）課程編號(hào)：03050020課程名稱：傳熱學(xué)（期終 A一、（10分）如圖1所示的墻壁，其導(dǎo)熱系數(shù)為 50W /（m K），厚度為100mm, 所處外界溫度20C,測(cè)得兩側(cè)外壁面溫度均為100C,外壁面與空氣的表面?zhèn)鳠?系數(shù)為h為125W/（m2 K）,壁內(nèi)單位體積內(nèi)熱源生成熱為 & ,假設(shè)墻壁內(nèi)進(jìn)行圖1解：由于對(duì)稱性只研究墻壁厚度的一半即可,的是一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，求 &及墻壁厚度方向溫度分布t（x） ?y*i50mn)出 5(hnni 4g = loot和 xnimd2t2&0 (1)(2 分)dx邊界條件為：x 0, dl

2、0； x 50mm,plxdxh(tw tf) (2)(1 分)由（1）式積分得：一dx&x C (3)由x 0處邊界條件得G 0 （1分）對(duì)（3）式積分得：t& 2x C (4)2(1 分)由x =50mm時(shí)，吏dx二 h(twx 50tf)（1分）導(dǎo)熱微分方程為:可得：(&= h(tw tf)/x=125 (100 20)/0.05 =2 105(W/m3) (1 分)則得：5C2100 ” 2 X 0.052=105 C （1 分）,由（4）式，x=50mm 時(shí)，twx2 c2 =100 C , （1 分）2則壁厚方向溫度分布：t（x） 105 2000x2（1分

3、）二、（10分）為20E的空氣，以10m/s的速度縱向流過一塊長(zhǎng)200mm,溫度60C 的平板。求離平板前沿50mm,100mm處的流動(dòng)邊界層和熱邊界層厚度。并求得 平板與流體之間的換熱量。（平板寬為1m）邊界層厚度:流動(dòng)邊界層與熱邊界層之比:-Pr13t解：定性溫度tf（2060）/240 °C（1分）Re誇和“8105層流（1分）表1空氣的熱物理性質(zhì)t/C106 /m2/s/ W/（m Pr3016.000.02670.7014016.960.02760.6995017.950.02830.698準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式：Nu 0.664Re12Pr13層流；Nu （0.037 Re45 87

4、1）Pr13 湍流50mm 處55 . 16.96 10 6 0.0501.4610 3m1Pr310.6993（2分）1.29 10 3m100mm 處tPr3 0.69931.82 10 3mNu1/21/30.664RePr50.6641.18 101/2 1/30.699202.4（2分）0.02762hNu202.427.9W/ mK（1分）l0.2hA tw tf 27.90.21 （60 20）223.5W（1分）水以2m/s的流速流過長(zhǎng)為8m的直管，入口溫度為20C,出口溫2.065（2分）1o10 3m5 二11696 10 6 0110、（10 分）度為40C，管內(nèi)徑d=

5、20mm,求對(duì)流換熱系數(shù)和平均管壁溫度 表2水的熱物理性質(zhì)t/C106/m2/s/ W/(m K)Pr/kg/m3Cp/ kJ/(kg K) 201.0060.5997.02998.24.18330 丁0.8050.618P 5.42995.74.174400.6590.6354.31992.24.174500.5560.6483.54988.14.174則:Nuu d 2 0.02Re6v0.805 10 60.80.40.023Re PrNud由熱量平衡得:tqmCp(t1 ”h dl49689 層流0.0230.618 258.43496890.8 5.420.4258.430.02qm

6、Cp(tl'' tl') t)d2 udu Cp(t t)0.02 227985.4 (W/m K)h dl tCp(ti'' ti')h dl4hl設(shè)管壁平均溫度為tw995.7 4174 (4020)4 7985.4 813C，則:（1 分）（2 分）（2 分）（2 分）（1 分）解：定性溫度tf (20 40)/2 30 C(1分)(1 分)tw tft 30 13 43 C ,四、（10分）如圖2所示，半球表面是絕熱的，底面一直徑 d=0.3m的圓盤被分 為1、2兩部分。表面1為灰體，T1= 550K，發(fā)射率 如0.6，表面2為溫度T2=

7、333K的黑體。（）計(jì)算角系數(shù) X3,（1 2） ， X1,2， X1,3， X2,3（2）畫出熱網(wǎng)絡(luò)圖并計(jì)算表面1和表面2之間的換熱量以及絕熱面3的溫度解：X（1 2）,31,根據(jù)角系數(shù)相對(duì)性，A1 2X（1 2）,3A3X 3,（1 2）2A1 2X（1 2）,3 r 1 可得 X3,（1 2）廠 0.5（1 分）A32 r根據(jù)對(duì)稱性X1,3 X2,3，根據(jù)角系數(shù)的可加性，X3,（1 2） X3,1 X3,20.5，所以可得 X3,1 X320.25根據(jù)角系數(shù)的相對(duì)性可得：AXi,3 A3X3J，可得 X13 蟲巴 20.25 1 ,Ai0.5 r同理，X2,31（ 1分）根據(jù)角系數(shù)的完整

8、性Xi,3 Xi,21,可得 Xi,21 Xi,30 （ 1 分）（2）熱網(wǎng)絡(luò)圖為；A A20.50.1520.01125A 20.1520.045RR21 0.60.6 0.011251A X1210.00675R3 1R23189( 1 分)0.0112515.67 (T14 T24)5.67 (5.54 3.334)R1 R3 R23148 89 8944.96(W)(2 分)J3Eb1 1( R1R13)5.67 5.5444.96148 89(1 分)1986.2W/mJ3 Eb3 二T3J 1986.25.67 10 8433(K)(1 分)五、（10分）已知如圖所示微元面積dA與

9、球缺A2求：從角系數(shù)的積分定義出發(fā)，計(jì)算dA到球缺內(nèi)表面A2的角系數(shù)，并用兩種極限情形來(lái)檢查你所得到的公式的正確性。圖3cos 1 cos 2解：Xd1,2-dA, 23 分cos 2 1,A2rr sin 1 rd 1, （ 2 分）dA 2代入上式得：Xd1,2cos 1 2 r2 sin 1d12 ° sin 1cos 1d 1（2 分）= sin02=si ncos 2當(dāng) 0時(shí)，應(yīng)有Xd1,20，由上式確實(shí)得出此值;（1分）1 分）當(dāng)2時(shí)，應(yīng)有Xd1,2 1，由上式亦確實(shí)得出此值。（1分）六、（10分）用進(jìn)口溫度為12C、質(zhì)量流量qm2 18 103kg/h的水冷卻從分餾器

10、中得到的80C的飽和苯蒸汽。使用順流換熱器，冷凝段和過冷段的傳熱系數(shù)k均 為980W/（m2 K）。已知苯的汽化潛熱395 103 J/kg，比熱容1758 J/（ kg K）。試確定將質(zhì)量流量qm1 3600kg/h的苯蒸汽凝結(jié)并過冷到40C所需的冷凝段和過 冷段傳熱面積分別為多少。（水的定壓比容Cp2 4183 J/（ kg K ）。）冷凝段：33.6 1033951031m1 13600過冷段：2qm1Cp1（t'1t''J3.61033600解：先計(jì)算總傳熱量:水的定壓比熱容：Cp2 4183J/（kg K）3.95 105 W （1 分）1758 （80 40

11、）70320 W （1 分）由冷凝段熱平衡，有:qm2Cp2（t2m t '2 ）所以，得13.95 105口 宀八、t2m t'2112330.9 C（ 1 分）qm2Cp218 1041833600冷凝段對(duì)數(shù)平均溫差:tm1 （80 12）80（802 3°.9）58 C（ 2 分）In80 30.9冷凝段換熱面積為：13.95 1052 一 八、A-6.95m （1 分）k tm1980 58t''2 t2m2qm2Cp230.9idUC（ 1 分）3600由過冷段熱平衡，有：2 qm2Cp2（t''2 t2m）其過冷段對(duì)數(shù)平均溫

12、差為:tm2（8030.9）ln8J40 34.3（40 34.3）20.2 C（ 2 分）故過冷段傳熱面積為:A22k tm2703203.55 m2 （1 分）980 20.2試說(shuō)明七、簡(jiǎn)答題（40分）Bi數(shù)的物理意義，Bi0及Bi各代表什1、（ 5分）對(duì)于平板導(dǎo)熱，么樣的換熱條件？ 一塊厚為2的金屬平板，初始溫度為t。，突然置于溫度為t的 流體中冷卻，試著畫出當(dāng)Bi 0時(shí)，平板中溫度場(chǎng)的變化情形。答；Bi數(shù)是平板導(dǎo)熱熱阻 /與表面對(duì)流傳熱熱阻1/h之比（1分）。Bi 0時(shí)說(shuō) 明傳熱熱阻主要為表面熱阻，平板內(nèi)部溫度趨于均勻，可以用集總參數(shù)法進(jìn)行分 析求解（1分）；Bi時(shí)，說(shuō)明傳熱熱阻主要為

13、導(dǎo)熱熱阻，可以近似認(rèn)為壁溫就是流體溫度（1分）。0（2分）1、厚度均為的兩個(gè)無(wú)限大平板，緊靠在一起放置在某一環(huán)境中，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)平板中的溫度分布如圖5所示，兩平板的導(dǎo)熱系數(shù)分別為 1、2且均為常數(shù)，試從一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程出發(fā)，判斷兩平板是否存在內(nèi)熱源，若存在指出是哪個(gè)平 板，并判斷內(nèi)熱源的正負(fù)；兩平板中熱流密度 qi，q2是否相等，并比較兩平板的導(dǎo)熱系數(shù)i、2的大?。縏九B,jLcAQi« o2、（5分）對(duì)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，為何采用短管和彎管可以強(qiáng)化流體的換熱？ 解：采用短管，主要是利用流體在管內(nèi)換熱處于入口段，溫度邊界層較薄，因而 有換熱強(qiáng)的特點(diǎn)，即所謂的 入口效應(yīng)”從而強(qiáng)化換熱。（3

14、分）而對(duì)于彎管， 流體流經(jīng)彎管時(shí)，由于離心力作用，在橫截面上產(chǎn)生二次環(huán)流，增加了擾動(dòng)，從 而強(qiáng)化了換熱。（2分）2、（5分）在流體溫度邊界層中，何處溫度梯度的絕對(duì)值最大？為什么？有人說(shuō)對(duì)一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體，可以用貼壁處溫度梯度絕對(duì)值的大小來(lái)判斷表 面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小，你認(rèn)為對(duì)嗎？解：在溫度邊界層中，貼壁處流體溫度梯度的絕對(duì)值最大，（1分）因?yàn)楸诿媾c流體間的熱量交換都要通過貼壁處不動(dòng)的薄流體層，因而這里換熱最劇烈。（2分）由對(duì)流換熱微分方程h - y 0，對(duì)一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體，與t yt均保持為常數(shù)，因而可用 絕對(duì)值的大小來(lái)判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h的大小。（2 y分）3、 （5分）漫

15、灰表面間的輻射換熱計(jì)算中采用了有效輻射J,試闡述有效輻射J 及投入輻射G的概念；并結(jié)合投入輻射 G說(shuō)明有效輻射包含哪幾部分輻射，寫 出有效輻射J的表達(dá)式。答：（1）單位時(shí)間投入到單位表面上的總輻射能稱為該表面的投入輻射G（ 1分），單位時(shí)間內(nèi)離開表面單位面積的總輻射能稱為有效輻射J （1分）；（2） 有效輻射不僅包括表面的自身輻射 E（ 1分），而且還包括投入輻射G中 被表面反射的部分pG （1分），其中p為表面的反射比；（3）對(duì)于表面溫度均勻、表面輻射特性為常數(shù)的表面。 有效輻射的表達(dá)式為：J1 E1 G （1 分）4、（5分）如圖6所示為真空輻射爐，球心處有一黑體加熱元件，試指出，黑體 對(duì)

16、A、B、C三處中何處定向輻射強(qiáng)度最大？何處輻射熱流最大？假設(shè)A、B、C三處對(duì)球心所張的立體角相同。黒體加執(zhí)元件答：（1）由黑體輻射的蘭貝特定律知，黑體的定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，故1 A 1 B 1 C （ 2 分）（2）由已知條件A、B、C三處立體角相同，且由于cos a cos b cos c， （ 1 分）由蘭貝特定律E I cos知，（1分）A處輻射力最大，即A處輻射熱流最大；C處輻射力最小，即C處輻射熱流最 小。（1分）5、（ 5分）在一個(gè)球形腔上開一個(gè)小孔，并設(shè)法使空腔壁面保持均勻的溫度，這 時(shí)空腔上的小孔就具有黑體輻射的特性。小孔的黑度與哪些因素有關(guān)，這些因素 是如何影響小孔黑度的

17、？哪些為主要因素，哪些為次要因素？答：小孔的黑度主要與空腔材料本身的吸收比的大小以及小孔面積與腔體總面積 之比有關(guān)。（2分）腔體本身的吸收比越大，小孔的黑度越大；空腔表面積與小孔的面積比越大， 小 孔的黑度越大。（2分）其中空腔與小孔的面積比可以顯著影響小孔的黑度；空腔本身的吸收比原則上對(duì)小孔的黑度沒有影響或影響很小。（1分）&（ 5分）何謂換熱器的效能，其物理含義是什么？答： （t t ）max（ 3分），表示換熱器的實(shí)際換熱效果與最大可能的換熱效果 t1 t2之比（2分）。7、（ 5分）熱水在兩根相同的管內(nèi)以相同流速流動(dòng)，管外分別采用空氣和水進(jìn)行冷卻。經(jīng)過一段時(shí)間后，兩管內(nèi)產(chǎn)生相同厚度的水垢。試問水垢的產(chǎn)生對(duì)采用 空冷還是水冷的管道的傳熱系數(shù)影響較大？為什么？答：水垢產(chǎn)生對(duì)采用水冷的管道的傳熱系數(shù)影響較大。（1分）采用水冷時(shí)，管道內(nèi)外均為換熱較強(qiáng)的水，兩側(cè)流體的換熱熱阻較小，因而水垢的產(chǎn)生在總熱阻 中占得比例較大。（2分）而空氣冷卻時(shí)，氣側(cè)熱阻較大，這時(shí)，水垢的產(chǎn)生對(duì) 總熱阻影響不大。（2分）8、（5分）在圖7（