傳熱學(xué)思考題及答案

1、欲索取更多考研資料,請上 北京天問教育 網(wǎng)站官網(wǎng)!第二章思考題1 試寫出導(dǎo)熱傅里葉定律的一般形式,并說明其中各個符號的意義。答:傅立葉定律的一般形式為:,其中:gradt 為空間某點的溫度梯度; n 是通過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(dǎo)熱物體中某點在 x,y,z 三個方向上的熱流密度分別為 y x q q , 及 z q ,如何獲得該點的 熱密度矢量?答:k q j q i q q z y x +=,其中 kj i , , 分別為三個方向的單位矢量量。 3 試說明得出導(dǎo)熱微分方程所依據(jù)的基本定律。答:導(dǎo)熱微分方程式所依據(jù)的基本定律有:傅

2、立葉定律和能量守恒定 律。4 試分別用數(shù)學(xué)語言將傳熱學(xué)術(shù)語說明導(dǎo)熱問題三種類型的邊界條 件。答: 第一類邊界條件: (01f t w =時, 第二類邊界條件:( (02f x t w =-時 第三類邊界條件: ( (f w w t t h x t-=-5 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 n xgradt q - = =-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(dǎo)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(dǎo)熱量計算式卻與半

3、徑的絕對值有關(guān), 怎樣理解? 答:因為通過圓筒壁的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱量不一樣。6 發(fā)生在一個短圓柱中的導(dǎo)熱問題, 在下列哪些情形下可以按一維問 題來處理?答:當(dāng)采用圓柱坐標(biāo)系, 沿半徑方向的導(dǎo)熱就可以按一維問題來處理。 8 擴(kuò)展表面中的導(dǎo)熱問題可以按一維問題來處理的條件是什么?有 人認(rèn)為, 只要擴(kuò)展表面細(xì)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(dāng)擴(kuò)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

4、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(rèn)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(dǎo)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(dāng)肋片高度達(dá)到一定值時, 通過該處截面的熱流密度 為零。 通過肋片的熱流已達(dá)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(dǎo)熱物體的導(dǎo)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(dǎo)熱,且物體的導(dǎo)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(dǎo)熱問題進(jìn)行了 數(shù)值計算。 矩形的一個邊絕

5、熱, 其余三個邊均與溫度為 ft 的流體發(fā)生 對流換熱。你能預(yù)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。第三章思考題試說明集總參數(shù)法的物理概念及數(shù)學(xué)處理的特點答:當(dāng)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(xué)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。 在用熱電偶測定氣流的非穩(wěn)態(tài)溫度場時 , 怎么才能改善熱電偶的溫度 響應(yīng)特性 ?答:要改善熱電偶的溫度響應(yīng)特性, 即最大限度降

6、低熱電偶的時間常 數(shù) hA cv c =, 形狀上要降低體面比, 要選擇熱容小的材料, 要強(qiáng)化熱電偶表面的對流換熱。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(dǎo)熱問題答;所謂“無限大”平板,是指其長寬尺度遠(yuǎn)大于其厚度,從邊 緣交換的熱量可以忽略不計, 當(dāng)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(dǎo)熱等情況可以按無限大平板處理。什么叫非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)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(xué)處理上都有些什么特點 ?答:非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程進(jìn)行到一定程度 , 初始溫度分布的影響就會消 失,雖然各點溫度

7、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(xué)處理十分便利, 溫度分布計算只需取無 窮級數(shù)的首項進(jìn)行計算。有人認(rèn)為 , 當(dāng)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)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(dāng)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

8、時間的推移, 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。試說明 Bi 數(shù)的物理意義。 oBi 及 Bi 各代表什么樣的換熱條件 ? 有人認(rèn)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。 oBi 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(jìn)行分析求解; Bi 時, 說明傳熱熱阻主要在內(nèi)部, 可以近似認(rèn)為壁溫就是流體溫 度。認(rèn)為 oBi 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。什么是分非穩(wěn)

9、態(tài)導(dǎo)熱問題的乘積解法 , 他的使用條件是什么 ?答; 對于二維或三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yuǎn)不會消除, 所以半死限大物體的非穩(wěn)念導(dǎo)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

10、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(rèn)為怎樣獲得其非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的溫度場 ?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) (2/l 的負(fù)指數(shù)函數(shù),即表示在相同尺寸及換熱條件下, 導(dǎo)溫系數(shù)越大的物體到達(dá)指定溫度 所需的時間越短、這正說明導(dǎo)溫系數(shù)所代表的物理含義。第五章復(fù)習(xí)題1、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。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

11、方程相比,它忽略了主流方向溫度的次變化率 22x A ,因此僅適用于邊界層內(nèi),不適用整個流體。 3、 式 (5 4 與導(dǎo)熱問題的第三類邊界條件式 (2 17 有什么區(qū)別? 答:0=-=y y t th (5 4 ( (f w t t h h t-=- (2 11式(5 4中的 h 是未知量,而式(2 17中的 h 是作為已知的邊 界條件給出,此外(2 17中的 為固體導(dǎo)熱系數(shù)而此式為流體導(dǎo)熱系數(shù),式(5 4將用來導(dǎo)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(5 4表面,在邊界上垂直壁面的熱量傳遞完全依靠導(dǎo)熱,

12、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(dǎo)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, 那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

13、質(zhì)量守恒關(guān)系,避免在研究遺漏某種物理因素。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(zhǔn)則對應(yīng)相等。初始條件。指非穩(wěn)態(tài)問題中初始時刻的物理量分布。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。幾何條件。換熱表面的幾何形狀、位置、以及表面的粗糙度等。 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(dāng)一個由若干個物理量所組成的試驗數(shù)

14、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?數(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(jìn)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

15、流換熱?這與強(qiáng) 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(dāng) 其流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。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 定是哪兩條 ?

16、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(dǎo)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(qiáng)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。4.為什么水平管外凝結(jié)換熱只介紹層流的準(zhǔn)則式?常壓下的水蒸氣 在 10=-=w s t t t 的水平管外凝結(jié),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。 對于水平橫圓管:(r t t dh R w s e -=4(4132729. 0 -=w s t t d gr h 臨界雷諾數(shù) (1600161. 9Re 34432433=-=r g t t d w sc 由 100=st , 查表:kg kJ r /2257= 由 95=p t ,查表:3/85. 961m kg =(K m W =/6815. 0 (s m kg =-/107. 2986(m g t t rd w s 07. 23. 9761325=-=即水平管管徑達(dá)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 t q 曲線中各部分的換熱機(jī)理。6.對于熱流密度可控及壁面溫度可控的兩種換