材料加工冶金傳輸原理習(xí)題答案(吳樹森版)

1、第1章 流體的主要物理性質(zhì)1-1何謂流體，流體具有哪些物理性質(zhì)？ 答：流體是指沒有固定的形狀、易于流動(dòng)的物質(zhì)。它包括液體和氣體。流體的主要物理性質(zhì)有：密度、重度、比體積壓縮性和膨脹性。2、在圖3.20所示的虹吸管中，已知H1=2m，H2=6m，管徑D=15mm，如果不計(jì)損失，問S處的壓強(qiáng)應(yīng)為多大時(shí)此管才能吸水?此時(shí)管內(nèi)流速2及流量Q各為若干?(注意：管B端并未接觸水面或探入水中) 解：選取過水?dāng)嗝?-1、2-2及水平基準(zhǔn)面O-O，列1-1面(水面)到2-2面的貝努利方程 圖3.20 虹吸管再選取水平基準(zhǔn)面O-O，列過水?dāng)嗝?-2及3-3的貝努利方程 (B) 因V2=V3 由式(B)得 5、有一

2、文特利管(如下圖)，已知d1 =15cm，d2=10cm，水銀差壓計(jì)液面高差Dh =20cm。若不計(jì)阻力損失，求常溫(20)下，通過文氏管的水的流量。解：在喉部入口前的直管截面1和喉部截面2處測(cè)量靜壓力差p1和p2，則由式可建立有關(guān)此截面的伯努利方程：根據(jù)連續(xù)性方程，截面1和2上的截面積A1和A2與流體流速v1和v2的關(guān)系式為所以 通過管子的流體流量為 用U形管中液柱表示，所以(m3/s)式中 、被測(cè)流體和U形管中流體的密度。如圖6-317(a)所示，為一連接水泵出口的壓力水管，直徑d=500mm，彎管與水平的夾角45°，水流流過彎管時(shí)有一水平推力，為了防止彎管發(fā)生位移，筑一混凝土鎮(zhèn)

3、墩使管道固定。若通過管道的流量0.5m3/s，斷面1-1和2-2中心點(diǎn)的壓力p1相對(duì)=108000N/，p2相對(duì)=105000N/。試求作用在鎮(zhèn)墩上的力。解 如圖6317(b)所示，取彎管前后斷面11和2-2流體為分離體，現(xiàn)分析分離體上外力和動(dòng)量變化。設(shè)管壁對(duì)流體的作用力R，動(dòng)量方程在x軸的投影為：則動(dòng)量方程在x軸的投影為：鎮(zhèn)墩對(duì)流體作用力的合力R的大小及方向?yàn)椋毫黧w對(duì)鎮(zhèn)墩的作用力P與R的大小相等方向相反。4.2 溫度T=5的水在直徑d100mm的管中流動(dòng)，體積流量Q=15L/s，問管中水流處于什么運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?解：由題意知：水的平均流速為： 查附錄計(jì)算得T=5的水動(dòng)力粘度為根據(jù)雷諾數(shù)公式 故為湍

4、流。4.3 溫度T=15，運(yùn)動(dòng)粘度0.0114cm2/s的水，在 直徑d=2cm的管中流動(dòng)，測(cè)得流速v=8cm/s，問水流處于什么狀態(tài)?如要改變其運(yùn)動(dòng)，可以采取哪些辦法?解：由題意知： 故為層流。 升高溫度或增大管徑d均可增大雷諾數(shù)，從而改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。第五章 邊界層理論5.2流體在圓管中流動(dòng)時(shí)，“流動(dòng)已經(jīng)充分發(fā)展”的含義是什么？在什么條件下會(huì)發(fā)生充分發(fā)展了的層流，又在什么條件下會(huì)發(fā)生充分發(fā)展了的湍流？答： 流體在圓管中流動(dòng)時(shí)，由于流體粘性作用截面上的速度分布不斷變化，直至離管口一定距離后不再改變。進(jìn)口段內(nèi)有發(fā)展著的流動(dòng)，邊界層厚度沿管長(zhǎng)逐漸增加，僅靠固體壁面形成速度梯度較大的穩(wěn)定邊界層，在邊界

5、層之外的無(wú)粘性流區(qū)域逐漸減小，直至消失后，便形成了充分發(fā)展的流動(dòng)。當(dāng)流進(jìn)長(zhǎng)度不是很長(zhǎng)（l=0.065dRe)，Rex小于Recr時(shí)為充分發(fā)展的層流。隨著流進(jìn)尺寸的進(jìn)一步增加至l=25-40d左右，使得Rex大于Recr時(shí)為充分發(fā)展的湍流3常壓下溫度為30的空氣以10m/s的速度流過一光滑平板表面，設(shè)臨界雷諾數(shù)Recr=3.2*105,試判斷距離平板前緣0.4m及0.8m兩處的邊界層是層流邊界層還是湍流邊界層？求出層流邊界層相應(yīng)點(diǎn)處的邊界層厚度解：由題意臨界雷諾數(shù)知對(duì)應(yīng)的厚度為x,則 4. 常壓下，20的空氣以10m/s的速度流過一平板，試用布拉修斯解求距平板前緣0.1m，vx/v=0處的y，v

6、x，vy，及avx/y解：平板前緣0.1m處 故為層流邊界層 又由 而 則 由速度分布與邊界層厚度的關(guān)系知： 再由 由布拉修斯解知 5=0.73Pa·s、=925Kg/m3的油，以0.6m/s速度平行地流過一塊長(zhǎng)為0.5m寬為0.15m的光滑平板，求出邊界層最大厚度、摩擦阻力系數(shù)及平板所受的阻力解：（1）由題意知：第七章 相似原理與量綱分析1. 用理想流體的伯努利方程式，以相似轉(zhuǎn)換法導(dǎo)出Fr數(shù)和Eu數(shù)解： 理想流體的伯努利方程：實(shí)際系統(tǒng)： （1）模型系統(tǒng)： （2）做相似變換得 代入（2）式得上式的各項(xiàng)組合數(shù)群必須相等，即： 、所以，所以將上述相似變換代入上式得到弗勞德數(shù)和歐拉數(shù)得：

7、、3. 設(shè)圓管中粘性流動(dòng)的管壁切應(yīng)力與管徑d，粗糙度，流體密度，黏度，流速有關(guān)，試用量綱分析法求出它們的關(guān)系式解法一：設(shè)有關(guān)物理量關(guān)系式為： ,其中量綱關(guān)系 因此， =解法二：由關(guān)系式知：選擇d， ，V為基本物理量，則 ， ，均可由它們表示，由此得到三個(gè)無(wú)量綱參數(shù)所以由此可得準(zhǔn)數(shù)方程：5用孔板測(cè)流量。管路直徑為d，流體密度為，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)為，流體經(jīng)過孔板時(shí)的速度為v，孔板前后的壓力差為p。試用量綱分析法導(dǎo)出流量Q的表達(dá)式。解：物理量之間的關(guān)系選擇d，V為基本物理量，則，對(duì)，1=b 對(duì),-1=-C 對(duì)，0=a-3b+c，對(duì)，1=y對(duì)，-1=x-3y+z對(duì), -2=-z可得準(zhǔn)數(shù)方程所以，第八章 熱

8、量傳遞的基本概念2當(dāng)鑄件在砂型中冷卻凝固時(shí)，由于鑄件收縮導(dǎo)致鑄件表面與砂型間產(chǎn)生氣隙，氣隙中的空氣是停滯的，試問通過氣隙有哪幾種基本的熱量傳遞方式？答：熱傳導(dǎo)、輻射。 注：無(wú)對(duì)流換熱3在你所了解的導(dǎo)熱現(xiàn)象中，試列舉一維、多維溫度場(chǎng)實(shí)例。答：工程上許多的導(dǎo)熱現(xiàn)象，可以歸結(jié)為溫度僅沿一個(gè)方向變化，而且與時(shí)間無(wú)關(guān)的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱現(xiàn)象。 例，大平板、長(zhǎng)圓筒和球壁。此外還有半無(wú)限大物體，如鑄造時(shí)砂型的受熱升溫（砂型外側(cè)未被升溫波及）多維溫度場(chǎng)：有限長(zhǎng)度的圓柱體、平行六面體等，如鋼錠加熱，焊接厚平板時(shí)熱源傳熱過程。4假設(shè)在兩小時(shí)內(nèi)，通過152mm×152mm×13mm（厚度）實(shí)驗(yàn)板傳導(dǎo)的

9、熱量為 837J，實(shí)驗(yàn)板兩個(gè)平面的溫度分別為19和26，求實(shí)驗(yàn)板熱導(dǎo)率。解：由傅里葉定律可知兩小時(shí)內(nèi)通過面積為152×152mm2的平面的熱量為 873=- 得 第九章 導(dǎo) 熱1. 對(duì)正在凝固的鑄件來說，其凝固成固體部分的兩側(cè)分別為砂型（無(wú)氣隙）及固液分界面，試列出兩側(cè)的邊界條件。解：有砂型的一側(cè)熱流密度為 常數(shù)，故為第二類邊界條件， 即0時(shí)固液界面處的邊界溫度為常數(shù)， 故為第一類邊界條件，即 0時(shí)w=f()注：實(shí)際鑄件凝固時(shí)有氣隙形成，邊界條件復(fù)雜，常采用第三類邊界條件3. 用一平底鍋燒開水，鍋底已有厚度為3mm的水垢，其熱導(dǎo)率為1W/(m · )。已知與水相接觸的水垢層

10、表面溫度為111 。通過鍋底的熱流密度q為42400W/m2，試求金屬鍋底的最高溫度。解：熱量從金屬鍋底通過水垢向水傳導(dǎo)的過程可看成單層壁導(dǎo)熱，由公式（9-11）知111， 得 =238.2 4. 有一厚度為20mm的平面墻，其熱導(dǎo)率為1.3W/(m·)。為使墻的每平方米熱損失不超過1500W，在外側(cè)表面覆蓋了一層為0.1 W/(m·)的隔熱材料，已知復(fù)合壁兩側(cè)表面溫 度分布750 和55 ，試確定隔熱層的厚度。解：由多層壁平板導(dǎo)熱熱流密度計(jì)算公式（9-14）知每平方米墻的熱損失為 得 6. 沖天爐熱風(fēng)管道的內(nèi)/外直徑分別為160mm和170mm，管外覆蓋厚度為80mm的石

11、棉隔熱層，管壁和石棉的熱導(dǎo)率分別為1=58.2W/(m)，2=0.116W/(m)。已知管道內(nèi)表面溫度為240 ，石棉層表面溫度為40 ，求每米長(zhǎng)管道的熱損失。解：由多層壁圓管道導(dǎo)熱熱流量公式（9-22）知 ,所以每米長(zhǎng)管道的熱損失為7解：查表已知8. 外徑為100mm的蒸汽管道覆蓋隔熱層采有密度為20Kg/m3的超細(xì)玻璃棉氈，已知蒸汽管外壁溫度為400，要求隔熱層外壁溫度不超過50，而每米長(zhǎng)管道散熱量小于163W，試確定隔熱層的厚度。解：已知 查附錄C知超細(xì)玻璃棉氈熱導(dǎo)率 由圓筒壁熱流量計(jì)算公式（9-20）知：得 而 得出 9. 解：UI 10. 在如圖9-5所示的三層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱中，已測(cè)

12、的t1,t2,t3及t4分別為600，500，200及100，試求各層熱阻的比例解：根據(jù)熱阻定義可知而穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)各層熱流量相同，由此可得各層熱阻之比為 =100：300：100 =1：3：111題略 解：（參考例9-6）查表，代入式得 kk12液態(tài)純鋁和純銅分別在熔點(diǎn)（鋁660，銅1083）澆鑄入同樣材料構(gòu)成的兩個(gè)砂型中，砂型的密實(shí)度也相同。試問兩個(gè)砂型的蓄熱系數(shù)哪個(gè)大？為什么？答：此題為討論題，砂型的蓄熱系數(shù)反映的是材料的蓄熱能力，綜合反映材料蓄熱和導(dǎo)熱能力的物理量，取決于材料的熱物性。 兩個(gè)砂型材料相同，它們的熱導(dǎo)率和比熱容c及緊實(shí)度都相同，故兩個(gè)砂型的蓄熱系數(shù)一樣大。 注：鑄型的蓄熱系數(shù)

13、與所選造型材料的性質(zhì)、型砂成分的配比、砂型的緊實(shí)度及冷鐵等因素有關(guān)！ 考慮溫度影響時(shí)，澆注純銅時(shí)由于溫度較純鋁的高，砂型的熱導(dǎo)率會(huì)增大，比熱和密度基本不變，從而使得砂型蓄熱系數(shù)會(huì)有所增大13試求高0.3m，寬0.6m且很長(zhǎng)的矩形截面銅柱體放入加熱爐內(nèi)一小時(shí)后的中心溫度。已知：銅柱體的初始溫度為20，爐溫1020，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a=232.6W/（m2·），=34.9W/（m·）,c=0.198KJ/（Kg·），=780Kg/m3。解：此題為二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，參考例9.8 ，可看成兩塊無(wú)限大平板導(dǎo)熱求解，銅柱中心溫度最低，以其為原點(diǎn)，以兩塊平板法線方向?yàn)樽鴺?biāo)軸，分別

14、為x，y軸。則有：熱擴(kuò)散率/s查9-14得，鋼鏡中心的過余溫度準(zhǔn)則為中心溫度為=0.036*（293-1293）+1293 =1257k=98415一含碳量Wc0.5%的曲軸，加熱到600后置于20的空氣中回火。曲軸的質(zhì)量為7.84Kg，表面積為870cm2，比熱容為418.7J/(Kg·),密度為7840Kg/m3，熱導(dǎo)率為42W/(m·)，冷卻過程的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取為29.1W/(m2·)，問曲軸中心冷卻到30所經(jīng)歷的時(shí)間。（原題有誤）解：當(dāng)固體內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻小于其表面的換熱熱阻時(shí)，固體內(nèi)部的溫度趨于一致，近似認(rèn)為固體內(nèi)部的溫度t僅是時(shí)間的一元函數(shù)而與空間坐

15、標(biāo)無(wú)關(guān)，這種忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻的簡(jiǎn)化方法稱為集總參數(shù)法。 通常，當(dāng)畢奧數(shù)Bi<0.1M時(shí)，采用集總參數(shù)法求解溫度響應(yīng)誤差不大。對(duì)于無(wú)限大平板M=1，無(wú)限長(zhǎng)圓柱M=1/2，球體M=1/3。特性尺度為=V/F。經(jīng)上述驗(yàn)算本題可以采用此方法計(jì)算溫度隨時(shí)間的依變關(guān)系。參閱楊世銘編傳熱學(xué)第二版，P105-106,公式（3-29）其中F為表面積， 為傳熱系數(shù)， 為時(shí)間，tf為流體溫度， V為體積。代入數(shù)據(jù)得：s 第十章 對(duì)流換熱1. 某窖爐側(cè)墻高3m，總長(zhǎng)12m，爐墻外壁溫t w=170。已知周圍空氣溫度t f=30，試求此側(cè)墻的自然對(duì)流散熱量（熱流量）（注：原答案計(jì)算結(jié)果有誤，已改正。）解：定性

16、溫度 定性溫度下空氣的物理參數(shù)： ， ，特征尺寸為墻高 h=3m .則：故 為 湍 流。查表10-2，得 ， 2. 一根L/d=10的金屬柱體，從加熱爐中取出置于靜止的空氣中冷卻。試問：從加速冷卻的目的出發(fā)，柱體應(yīng)水平還是豎直放置（輻射散熱相同）？試估算開始冷卻的瞬間兩種情況下自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)之比（均為層流）解：在開始冷卻的瞬間，可以設(shè)初始溫度為壁溫，因而兩種情形下壁面溫度相同。水平放置時(shí)，特征尺寸為柱體外徑；豎直放置時(shí)，特征尺寸為圓柱長(zhǎng)度，L>d 。近似地采用穩(wěn)態(tài)工況下獲得的準(zhǔn)則式來比較兩種情況下自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，則有： (1) 水平放置. , , (2) 豎直放置. , 由此

17、可知：對(duì)給定情形，水平放置時(shí)冷卻比較快。所以為了加速冷卻，圓柱體應(yīng)水平放置。3. 一熱工件的熱面朝上向空氣散熱。工件長(zhǎng)500mm，寬200mm，工件表面溫度220，室溫20，試求工件熱面自然對(duì)流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（對(duì)原答案計(jì)算結(jié)果做了修改）解：定性溫度 定性溫度下空氣的物理參數(shù)： ， 特征尺寸， 熱面朝上： 故為湍流。查表得 ， 4. 上題中若工件熱面朝下散熱，試求工件熱面自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)解：熱面朝下： , 層流，查表得 5. 有一熱風(fēng)爐外徑D=7m，高H=42m，當(dāng)其外表面溫度為200，與環(huán)境溫度之差為40，求自然對(duì)流散熱量（原答案缺少最后一步，已添加）解：定性溫度 定性溫度下空氣的物性參數(shù)

18、為：, 依題應(yīng)為垂直安裝，則特征尺寸為H = 42 m., 為湍流.查表得 自然對(duì)流散熱量為 67. 在外掠平板換熱問題中，試計(jì)算25的空氣及水達(dá)到臨界雷諾數(shù)各自所需的板長(zhǎng)，取流速v=1m/s計(jì)算，平板表面溫度100（原答案計(jì)算有誤，已修改）解：定性溫度為(1).對(duì)于空氣查附錄計(jì)算得 (2). 對(duì)于水則有 ： 8. 在穩(wěn)態(tài)工作條件下，20的空氣以10m/s的速度橫掠外徑為50mm，管長(zhǎng)為3m的圓管后，溫度增至40。已知橫管內(nèi)勻布電熱器消耗的功率為1560W，試求橫管外側(cè)壁溫（原答案定性溫度計(jì)算有誤，已修改）解： 采用試算法 假設(shè)管外側(cè)壁溫為60，則定性溫度為 查表得 ， 即: 與假設(shè)不符，故重

19、新假設(shè)，設(shè)壁溫為.則定性溫度 查表得 ， ， ， ，即： 與假設(shè)溫度誤差小于5%，是可取的。即壁面溫度為79.80.10. 壓力為1.013*105Pa的空氣在內(nèi)徑為76mm的直管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)，入口溫度為65，入口體積流量為0.022m3/s，管壁平均溫度為180，試問將空氣加熱到115所需管長(zhǎng)為多少？解：強(qiáng)制對(duì)流定性溫度為流體平均溫度流體平均溫度，查查附錄F得 為旺盛湍流。由于流體溫差較大應(yīng)考慮不均勻物性的影響，應(yīng)采用實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則式（10-23或24）計(jì)算Nuf 即 =56.397質(zhì)量流量散熱量 因?yàn)?，所以需要進(jìn)行入口段修正。入口段修正系數(shù)為所需管長(zhǎng)：11. 解：12管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流湍流時(shí)的換熱，若R

20、e相同，在tf=30條件下水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比空氣的高多少倍？解：定性溫度 查附錄D得到: 查附錄F得到： 為湍流，故相同 在該條件下，水的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比空氣高52.46倍。第十一章 輻射換熱1 100W燈泡中鎢絲溫度為2800K，發(fā)射率為0.30。（1）若96%的熱量依靠輻射方式散出，試計(jì)算鎢絲所需要最小面積；（2）計(jì)算鎢絲單色輻射率最大時(shí)的波長(zhǎng)解：（1） 鎢絲加熱發(fā)光, 按黑體輻射發(fā)出連續(xù)光譜，將數(shù)據(jù)代入為：A1=9.2*10-5（2）由維恩位移定律知，單色輻射力的峰值波長(zhǎng)與熱力學(xué)溫度的關(guān)系 m.k，當(dāng)T=2800k時(shí)，=1.034*10-6m3. 一電爐的電功率為1KW，爐絲溫度為847，

21、直徑為1mm，電爐的效率（輻射功率與電功率之比）為0.96，爐絲發(fā)射率為0.95，試確定爐絲應(yīng)多長(zhǎng)？解：由黑度得到實(shí)際物體輻射力的計(jì)算公式知：4. 試確定圖11-28中兩種幾何結(jié)構(gòu)的角系數(shù)X12 解：由角系數(shù)的分解性得：由角系數(shù)的相對(duì)性得： 所以對(duì)于表面B和（1+A），X=1.5、Y=1.5、Z=2時(shí)，,查表得，對(duì)于表面B和A，X=1.5，Y=1.5，Z=1，,查表得，所以，。對(duì)表面（2+B）和（1+A），X=1.5，Y=2.5，Z=2，,查表得。對(duì)于表面(2+B),A,X=1.5,Y=2.5,Z=1, ,查表得,所以，由角系數(shù)的分解性, ，對(duì)表面2和A，X=1.5，Y=1，Z=1，,查表得。

22、對(duì)面2和（1+A），X=1.5，Y=1，Z=2， ，查表得，代入數(shù)據(jù)得，所以5兩塊平行放置的大平板的表面發(fā)射率均為0.8，溫度分別為t1=527和t2=27，板的間距遠(yuǎn)小于板的寬與高。試計(jì)算（1）板1的本身輻射（2）對(duì)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與2的輻射換熱量解：由于兩板間距極小，可視為兩無(wú)限大平壁間的輻 射換熱，輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖，包括空間熱阻和兩個(gè)表 面輻射熱阻。 =0.8，輻射換熱量計(jì)算公式為 （11-29）其中J1和J2為板1和板2的有效輻射，將上式變換后得故：（1）板1的本身輻射為 （2）對(duì)板1的投入輻射即為板2的有效輻射 （3）板1的反射輻射為， 1=1- =0.2 ,（4）板1的有效輻射為 （5）板2的有效輻射為 （6）由于板1與2間的輻射換熱量為： 6. 設(shè)保溫瓶的瓶膽可看作直徑為10cm高為26cm的圓柱體，夾層抽真空，夾層兩內(nèi)表面發(fā)射率都為0.05。試計(jì)算沸水剛注入瓶膽后，初始時(shí)刻水溫的平均下降速率。夾層兩壁壁溫可近似取為100及20解：，代入數(shù)據(jù)得w，而，查附錄知100 水的物性參數(shù)為代入數(shù)據(jù)得/s