東大傳熱學考試真題試卷

1、東大20062007學年第二學期期末考試傳熱學試題（A卷）答案一、填空題(每空1分，共20分)1、某物體溫度分布的表達式為t=f(x ,y,),此溫度場為二維（幾維）、非穩(wěn)態(tài)（穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)）溫度場。2、當?shù)葴鼐€圖上每兩條相鄰等溫線的溫度間隔相同時，等溫線的疏密可以直觀地反映出不同區(qū)域?qū)釤崃髅芏鹊南鄬Υ笮　?、導熱微分方程式是根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律建立起來的導熱物體中的溫度場應當滿足的數(shù)學表達式。4、工程上常采用肋片來強化傳熱。5、換熱器傳熱計算的兩種方法是平均溫差法和效能-傳熱單元數(shù)法。6、由于流動起因的不同，對流換熱可以區(qū)別為強制對流換熱與自然對流換熱。7、固體表面附近流體溫度發(fā)生劇

2、烈變化的薄層稱為溫度邊界層或熱邊界層，其厚度定義為以過余溫度為來流過余溫度的99%處。8、判斷兩個現(xiàn)象相似的條件是：同名的已定特征數(shù)相等；單值性條件相似。9、凝結有珠狀凝結和膜狀凝結兩種形式，其中珠狀凝結有較大的換熱強度，工程上常用的是膜狀凝結。10、遵循蘭貝特定律的輻射，數(shù)值上其輻射力等于定向輻射強度的倍。11、單位時間內(nèi)投射到表面的單位面積上總輻射能為投入輻射，單位時間內(nèi)離開表面單位面積的總輻射能為該表面的有效輻射，后者包括表面的自身輻射和投入輻射被反射的部分。二、選擇題（每題2分，共16分）1、下列說法不正確的是（ D ）A、輻射換熱不依賴物體的接觸而進行熱量傳遞；B、輻射換熱過程伴隨著

3、能量形式的兩次轉化；C、一切物體只要其溫度T0K，都會不斷地發(fā)射熱射線；D、輻射換熱的大小與物體溫度差的四次方成正比。2、大平板采用集總參數(shù)法的判別條件是 （C）ABi>0.1 B Bi=1 C Bi<0.1 D Bi=0.13已知邊界周圍流體溫度和邊界面與流體之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的稱為 ( C )A.第一類邊界條件 B. 第二類邊界條件 C.第三類邊界條件 D. 初始條件4、在熱輻射分析中，把光譜吸收比與波長無關的物體稱為（c ）A、黑體；B、透明體；C、灰體；D、絕對白體。5、換熱器在相同的進出口溫度條件下，（A ）平均溫差最大。A、逆流；B、順流；C、交叉流；D、混合流。6.下

4、列各種方法中，屬于削弱傳熱的方法是( D )。A.增加流體流度 B.設置肋片 C.管內(nèi)加插入物增加流體擾動 D.采用導熱系數(shù)較小的材料使導熱熱阻增加7.已知一順流布置換熱器的熱流體進出口溫度分別為300°C和150°C，冷流體進出口溫度分別為50°C和100°C，則其對數(shù)平均溫差約為( B )。A.100°C B.124°C C.150°C D.225°C8管內(nèi)對流換熱的流態(tài)判別是用 （ B ）A. Gr B. Re C. Pe D. Gr·Pr三、名詞解釋（每題3分，共12分）1、熱擴散率：，物理意義：

5、材料傳播溫度變化能力大小的指標。2、傳熱過程：熱量由壁面一側的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋攘黧w中去的過程。3、努賽爾數(shù)：，反映對流換熱過程的強度。4、角系數(shù)：表面1發(fā)出的輻射能中落到表面2上的百分數(shù)，稱為角系數(shù)。四、簡答題（每題4分，共16分）1、什么是穩(wěn)態(tài)溫度場？其數(shù)學表達式是什么？答：在穩(wěn)態(tài)條件下物體各點的溫度分布不隨時間的改變而變化的溫度場（2分）。其表達式（2分）。2、室內(nèi)安裝的暖氣設施，試說明從熱水至室內(nèi)空氣的傳熱過程中包含那些傳熱環(huán)節(jié)。答：熱水管子內(nèi)壁：對流換熱；（1分）管子內(nèi)壁管子外壁：導熱；（1分）管子外壁室內(nèi)環(huán)境：對流換熱和輻射換熱（2分）3、影響對流換熱的一般因素有哪些？答：影響

6、對流換熱的一般因素有：流動的起因和流動狀態(tài)（1分）；流體的熱物理性質(zhì)（1分）；流體的相變（1分）；換熱表面幾何因素（1分）。4、如圖所示的真空輻射爐，球心處有一黑體加熱元件，試答：指出，3處中何處定向輻射強度最大?何處輻射熱流最大?假設，處對球心所張立體角相同。 答：由黑體輻射的蘭貝特定律知，定向輻射強度與方向無關。故IlI2=I3。（2分）而三處對球心立體角相當，但與法線方向夾角不同，123。所以處輻射熱流最大，處最小。（2分）五、計算題（共36分）：1、某一爐墻內(nèi)層由耐火磚、外層由紅磚組成，厚度分別為200mm和100mm，導熱系數(shù)分別為0.8W/(m·K)和0.5W/(m

7、83;K)，爐墻內(nèi)外側壁面溫度分別為700和50，試計算：(1)該爐墻單位面積的熱損失；(2)若以導熱系數(shù)為0.11W/(m·K)的保溫板代替紅磚，其它條件不變，為了使爐墻單位面積熱損失低于1kW/m2，至少需要用多厚的保溫板。（10分）解：(1)單位面積散熱損失： q=1444.4W/ m2 （5分）(2)以保溫板替代紅磚，由于爐墻熱損失不得高于q0=1kW/m222()=0.11×()=0.044m=44mm（5分）2、對于如附圖所示的幾種幾何結構，計算角系數(shù)。（每題3分，共6分） 半球內(nèi)表面與1/4底面； 球與無限大平面；解： 假設2表面為整個底面，則204.1839

8、98.259.910041.0067.02804.195971.867.4355.10.3652.21904.208965.368.0314.90.3261.951004.220958.468.3282.50.2951.75設想在球的頂面有另一塊無限大平板存在，則顯然，X1,2=0.5,由于X1,2不因另一塊平板的存在而影響其值，因而X1,2=0.5。3、兩個相距1m、直徑為2m 的平行放置的圓盤，相對表面的溫度分別為t1=500，t2=200，發(fā)射率分別為1=0.3 及2=0.6，圓盤的另外兩個表面的換熱略而不計，兩圓盤被置于一絕熱空腔中。圓盤表面分別為1，2，第三表面計為3，已知X1,2=

9、X2,1=0.38，試確定每個圓盤的凈輻射換熱量。（要求畫出網(wǎng)絡圖）解：網(wǎng)絡圖如圖所示（2分）（)4、初溫為100的熱水，流經(jīng)內(nèi)徑為16mm、壁厚為1mm的管子，出口溫度為80；與管外冷水的總換熱量為350kW，試計算管內(nèi)平均換熱系數(shù)。（10分）準則方程：水的物性簡表：解：東大20072008學年第一學期期末考試傳熱學試題（A卷）試題答案一、填空（每空1分，共20分）1、溫度場中同一瞬間同溫度各點連成的面稱為 等溫面 。2、就引起流動的原因而論，對流換熱可區(qū)分為 自然對流 與 強制對流 兩大類。3、輻射測量用探測儀所測到的灰表面的輻射能，實際上是 有效 輻射，定義為 灰體表面的本身輻射和反射輻

10、射之和 。4、熱電偶的 時間常數(shù) 是說明熱電偶對流體溫度變動響應快慢的指標。5、所謂同類物理現(xiàn)象，指那些用 相同形式 并具有 相同內(nèi)容的微分方程式 所描寫的現(xiàn)象。6、強化傳熱的方法之一是提高K值。要提高K值,則應改善對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 較小 的一側的傳熱條件（對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小的還是大的）7、蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時有兩種不同的凝結形式，分別為 膜狀凝結 和 珠狀凝結 ，工程設計的依據(jù)是膜狀凝結 。8、由多層等厚度平壁構成的傳熱壁面, 若某層所用材料的導熱系數(shù)越大，則該壁面的熱阻就越 小 ,其兩側的溫度差越 小 。9、傅立葉定律中的負號表示 熱流方向與溫度梯度方向相反 。10、溫度

11、邊界層越 厚 ，則對流換熱系數(shù)越小，為了強化傳熱，應使溫度邊界層越 薄 越好。11、內(nèi)部流動與外部流動的區(qū)別主要在于 換熱壁面上的流體邊界層是否可以自由發(fā)展 。12、影響核態(tài)沸騰的主要因素是 壁面過熱度 和 汽化核心數(shù) 。二、選擇題（每題2分，共10分）1、對流傳熱過程僅發(fā)生在（ C ）中。A. 固體 B. 靜止的流體 C. 流動的流體2、有一個由四個平面組成的四邊形長通道，其內(nèi)表面分別以1、2、3、4表示，已知角系數(shù)X1，2=0.4,X1，4=0.25，則X1，3為( D )。A.0.5 B.0.65 C.0.15 D.0.353、溫度對輻射換熱的影響（ B ）對對流換熱的影響。A.等于；

12、B.大于； C.小于； D.可能大于、小于4、雷諾準則反映了（ B ）的對比關系。A.重力和慣性力； B.慣性力和粘性力； C.重力和粘性力； D.浮升力和粘性力5、一金屬塊的表面黑度為0.4，溫度為227，它的輻射力是( A )；若表面氧化后，黑度變?yōu)?.9，其輻射力將( A )。A.1417.5W/m2，將增大 B.1417.5W/m2，將減小C.60.22W/m2，將增大 D.60.22W/m2，將減小三、簡答題（每題4分，共20分）1、簡述熱輻射與其它兩種熱量傳遞方式的區(qū)別。導熱、對流這兩種熱量傳遞方式只在有物質(zhì)存在的條件下才能實現(xiàn)，而熱輻射可以在真空中傳遞，而且實際上在真空中輻射能的

13、傳遞最有效（2分）；輻射換熱區(qū)別于導熱、對流換熱的另一個特點是，它不僅產(chǎn)生能量的轉移，而且還伴隨著能量形式的轉換，即發(fā)射時從熱能轉換為輻射能，而被吸收時又從輻射能轉換為熱能。（2分）2、什么是物體表面的吸收比（率）？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）。（2分）物體的吸收比（率）只取決于物體的表面特性（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。（2分）3、寫出時間常數(shù)的表達式。時間常數(shù)是從什么導熱問題中定義出來的？它與哪些因素有關？答：時間常數(shù)的表達式為（2分），是從非穩(wěn)態(tài)導熱問題中定義出來的（1分），它不僅取決于幾何參數(shù)

14、和物性參數(shù)，還取決于換熱條件h（1分）。4、分別寫出Nu、Bi數(shù)的表達式，并說明其物理意義。答：努塞爾數(shù)，它表示表面上無量綱溫度梯度的大小。（2分）畢渥數(shù)，它表示導熱體內(nèi)部熱阻與外部熱阻的相對大小。（2分）5、為什么珠狀凝結表面換熱系數(shù)比膜狀凝結表面換熱系數(shù)大？答：膜狀凝結換熱時沿整個壁面形成一層液膜，并且在重力的作用下流動，凝結放出的汽化潛熱必須通過液膜，因此，液膜厚度直接影響了熱量傳遞。（2分）珠狀凝結換熱時，凝結液體不能很好的浸潤壁面，僅在壁面上形成許多小液珠，此時壁面的部分表面與蒸汽直接接觸，因此，換熱速率遠大于膜狀凝結換熱。（2分）四、分析題（每題5分，共20分）1、對于附圖所示的兩

15、種水平夾層，試分析冷、熱表面間熱量交換的方式有何不同？如果要通過實驗來測定夾層中流體的導熱系數(shù)，應采用哪一種布置？解：（a）中熱量交換的方式主要有熱傳導和熱輻射（2分）。（b）熱量交換的方式主要有熱傳導，自然對流和熱輻射（2分）。所以如果要通過實驗來測定夾層中流體的導熱系數(shù)，應采用（a）布置。（1分）2、冬天，在相同的室外溫度條件下，為什么有風比無風時感到更冷些?解 假定人體表而溫度相同時，人體的散熱在有風時相當于強制對流換熱（1分），而在無風時屬自然對流換熱(不考慮熱輻射或假定輻射換熱量相同時) （1分）。而空氣的強制對流換熱強度要比自然對流強烈。因而在有風時從入體帶走的熱量更多，所以感到更

16、冷一些（3分）。3、北方深秋季節(jié)的清晨，樹葉葉面上常常結霜。試問樹葉上、下表面的哪一面上容易結霜？為什么？答：霜會容易結在樹葉的上表面（2分）。因為樹葉上表面朝向太空，而太空表面的溫度會低于攝氏零度（1分）；下表面朝向地面，而地球表面的溫度一般在零度以上（1分）。相對于下表面來說，樹葉上表面向外輻射熱量較多，溫度下降的快，一旦低于零度時便會結霜（1分）。4、為什么工業(yè)換熱器中冷、熱流體的相對流向大多采用逆流操作? 答案：當冷熱流體的進出口溫度都一定時，逆流的溫差比其他流動形式的大（3分）。因此，在相同傳熱系數(shù)的條件下，為了完成同樣的熱負荷，采用逆流操作，可以節(jié)省傳熱面積（1分）；或在傳熱面積相

17、同時，采用逆流操作可以提高熱流量。（1分）五、計算題（30分）1、一雙層玻璃窗，寬1.1m，高1.2m，厚3mm，導熱系數(shù)為1.05W/(m·K)；中間空氣層厚5MM，設空氣隙僅起導熱作用，導熱系數(shù)為0.026W/(m·K)。室內(nèi)空氣溫度為25。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為20W/(m2·K)；室外空氣溫度為-10，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為15 W/(m2·K)。試計算通過雙層玻璃窗的散熱量，并與單層玻璃窗相比較。假定在兩種情況下室內(nèi)、外空氣溫度及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相同。（10分） 解：(1)雙層玻璃窗情形，由傳熱過程計算式：  （4分） (2)單層玻璃

18、窗情形：  （4分） 顯然，單層玻璃的散熱量是雙層玻璃窗的2.6倍。（2分）因此，北方的冬天常常采用雙層玻璃窗使室內(nèi)保溫。2、溫度tf=50的空氣平行掠過一表面溫度為tw=100的平板表面，故熱電偶的直徑：驗證Bi數(shù)是否滿足集總參數(shù)法：說明上述假設是正確的。5、空氣以10m/s速度外掠0.8m的長平板，平板下表面絕熱。平板沿流動方向的長度為0.2m，寬度為0.1m。此時按平板長度計算的雷諾數(shù)Re=6×104。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）如果空氣的流速增大為原來的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)。（10分

19、）（層流時平板表面平均努塞爾數(shù)，湍流時平板表面平均努塞爾數(shù)，已知空氣75時的物性參數(shù)為：，）。解：(1)空氣的定性溫度，此時的物性參數(shù)為：，（1分）由于，屬層流流態(tài)。（1分）（2分）換熱量（1分）（2）若流速增加10倍，屬湍流流態(tài)（2分）。（2分）（1分）。3、用一裸露的熱電偶測試圓管中氣流的溫度，熱電偶的指示值t1=170。已知管壁溫度tw=90，氣流對熱接點的對流換熱系數(shù)為h= 50W/ (m2·K)，熱接點的表面發(fā)射率=0.6。試確定氣流的真實溫度及測溫誤差，并簡要說明如何減小誤差。（10分）解：由于熱電偶工作端為凸表面，它的表面積相對于圓管的面積很小，即。因此他們之間的輻射換

20、熱可按式計算。熱電偶的輻射換熱和對流換熱的能量平衡式為：（4分）由此求得實際溫度為：（2分）測溫絕對誤差為14.4，相對誤差為8.5%。誤差產(chǎn)生的原因是由于熱電偶與管道外壁的輻射換熱，使t1明顯低于tf。（2分）可采用遮熱罩來減小輻射換熱。（2分）東大20072008學年第一學期期末考試傳熱學試題（B卷）答案一、填空（每空1分，共20分）1、熱量從壁一側的高溫流體通過壁傳給另一側低溫流體的過程稱為傳熱過程。2、如果溫度場不隨時間而變化，則為穩(wěn)態(tài)溫度場。3、溫度梯度的正向朝著溫度增加（增加或減小） 的方向，與熱流矢量的方向相反。4、穩(wěn)態(tài)導熱過程的單值性條件有幾何條件、物理條件、邊界條件。5、對應

21、于總熱阻為極小值的保溫層外徑為臨界熱絕緣直徑。只有當管道外徑大于臨界熱絕緣直徑時，覆蓋保溫層才肯定有效地起到減少熱損失的作用。6、在一定的冷、熱流體進出口溫度下，換熱器不同的流動型式中，逆流的對數(shù)平均溫差最大，順流最小。7、非穩(wěn)態(tài)導熱可以分為瞬態(tài)導熱和周期性導熱。8、按照引起流體流動的原因，對流換熱可分為受迫對流換熱和自然對流換熱。9、自然對流換熱中，當邊界層流態(tài)為層流時，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)將隨著厚度的增加逐漸減小，而當邊界層由層流向紊流轉變后，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)將增大；達到旺盛紊流時，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)將保持不變。10、輻射測量用探測儀所測到的灰表面的輻射能，實際上是有效輻射，定義為灰體表面的本身

22、輻射和反射輻射之和。11、將一個黑體表面的溫度由30增加到333，該表面的輻射力增加了16倍。二、選擇題（每題2分，共10分）1、C；2、B；3、A；4、A；5、C1、具有均勻內(nèi)熱源的無限大平壁穩(wěn)態(tài)導熱的微分方程式為（ ）。A. +=0 B. =（）+C. =0 D. =+2、若某一邊界面有，此為（ ）邊界條件。第一類 B、第二類 C、第三類 D、以上都不是3、下列說法不正確的是（ ）。A、輻射換熱必須通過中間介質(zhì)相接觸才能進行； B、輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉換； C、一切物體只要溫度T>0，都會不斷地發(fā)射熱射線； D、高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能

23、量。4、基爾霍夫定律指出（ ）。A、實際物體吸收率和發(fā)射率之間的定量關系；B、黑體的光譜輻射力與波長、溫度的關系；C、任意溫度黑體最大單色輻射力所對應波長的定量描述；D所有漫射表面(定向)輻射強度不隨空間方位改變。5、關于對流換熱，下列說法不正確的是（ ）。A、流體的導熱系數(shù)越大，換熱越強；B、流體的比熱容于密度大的流體，以對流傳遞熱量的能力高；C、流體的粘度小，有礙于流體流動，不利于熱對流；D對流換熱是依靠導熱和熱對流兩種作用來完成熱量傳遞的。三、簡答題（每題3分，共18分）1、熱量傳遞有哪幾種基本方式？答：導熱、熱對流、熱輻射（3分）2、簡述努謝爾特準則的表達式以及物理意義。答：；壁面法向

24、無量綱過余溫度梯度，反映對流換熱強度的大小。3、何為集總參數(shù)法？應用這種方法的條件是什么？答：忽略內(nèi)部導熱熱阻，認為物體溫度均勻一致的分析方法成為集總參數(shù)法；適用條件：Bi<0.14、寫出兩個同類現(xiàn)象相似的條件。答：單值性條件相似，同名已定準則相等。（3分）5、簡述角系數(shù)的定義及性質(zhì)答：定義：表面1發(fā)出的輻射能中落到表面2上的百分數(shù)稱為表面1對表面2的角系數(shù)，記為。（1.5分）性質(zhì)：（1）相對性，（2）完整性，（3）可加性（1.5分）6、實際物體表面的吸收率主要受哪些因素影響？答：吸收率與物體的種類、表面狀況及溫度有關，而且與入射的波長有關。（3分）四、分析題（每題3分，共18分）1分析

25、置于室外大氣中的架空輸送蒸汽的保溫管道有哪些傳熱環(huán)節(jié)。（6分）答：管內(nèi)蒸汽與管內(nèi)壁的對流換熱，管內(nèi)壁向管外壁的導熱，保溫層內(nèi)壁向保溫層外壁的導熱，保溫層外壁與外界的對流換熱及輻射換熱。2、對管內(nèi)強制對流換熱，為何采用短管和彎管可以強化流體的換熱?  （6分）答：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，因而換熱強的特點，即所謂的“入口效應”，從而強化換熱。而對于彎管，流體流經(jīng)彎管時，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，從而強化了換熱。3、在對流溫度差大小相同的條件下,在夏季和冬季,屋頂天花板內(nèi)表面的自然對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是否相同?為什么? （6分）答：冬季和夏季墻壁內(nèi)表面溫度不同，夏季高而冬季低（1