傳熱學(xué)復(fù)習(xí)題和部分答案

1、零、基本概念1.熱流量：單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量2.熱流密度：單位傳熱面上的熱流量3 .導(dǎo)熱：當(dāng)物體內(nèi)有溫度差或兩個(gè)不同溫度的物體接觸時(shí)，在物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移的情況下，物質(zhì)微粒(分子、原子或自由電子)的熱運(yùn)動(dòng)傳遞了熱量，這種現(xiàn)象被稱為熱傳導(dǎo)，簡稱導(dǎo)熱。4 .對(duì)流傳熱：流體流過固體壁時(shí)的熱傳遞過程，就是熱對(duì)流和導(dǎo)熱聯(lián)合用的熱量傳遞過程，稱為表面對(duì)流傳熱，簡稱對(duì)流傳熱。5.輻射傳熱：物體不斷向周圍空間發(fā)出熱輻射能，并被周圍物體吸收。同時(shí)，物體也不斷接收周圍物體輻射給它的熱能。這樣，物體發(fā)出和接收過程的綜合結(jié)果產(chǎn)生了物體間通過熱輻射而進(jìn)行的熱量傳遞，稱為表面輻射傳熱，簡稱輻射傳熱。6.總傳熱

2、過程：熱量從溫度較高的流體經(jīng)過固體壁傳遞給另一側(cè)溫度較低流體的過程，稱為總傳熱過程，簡稱傳熱過程。W/(m2-K)o對(duì)流傳熱系數(shù)表示對(duì)流傳熱能力的大小。W/(m2K)o輻射傳熱系數(shù)表示輻射傳熱能力的大小。W/(m2K)o復(fù)合傳熱系數(shù)表示復(fù)合傳熱能力的大小。10.總傳熱系數(shù)：總傳熱過程中熱量傳遞能力的大小。數(shù)值上表示傳熱溫差為在單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量。11 .溫度場：某一瞬間物體內(nèi)各點(diǎn)溫度分布的總稱。一般來說，它是空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)的函數(shù)12 .等溫面(線)：由物體內(nèi)溫度相同的點(diǎn)所連成的面(或線)。13 .溫度梯度：在等溫面法線方向上最大溫度變化率。14 .熱導(dǎo)率：物性參數(shù)，熱流密度矢量與溫度降度的

3、比值，數(shù)值上等于1K/m的溫度梯度作用下產(chǎn)生的熱流密度。熱導(dǎo)率是材料固有的熱物理性質(zhì)，表示物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小。15 .導(dǎo)溫系數(shù)：材料傳播溫度變化能力大小的指標(biāo)。16.穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而改變的導(dǎo)熱過程。7.對(duì)流傳熱系數(shù)：單位時(shí)間內(nèi)單位傳熱面當(dāng)流體溫度與壁面溫度差為1K是的對(duì)流傳熱量，單位為8.輻射傳熱系數(shù)：單位時(shí)間內(nèi)單位傳熱面當(dāng)流體溫度與壁面溫度差為1K是的輻射傳熱量，單位為9.復(fù)合傳熱系數(shù)：單位時(shí)間內(nèi)單位傳熱面當(dāng)流體溫度與壁面溫度差為1K是的復(fù)合傳熱量，單位為1K時(shí)，單位傳熱面積17.非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：物體中各點(diǎn)溫度隨時(shí)間而改變的導(dǎo)熱過程18.傅里葉定律：在各向同性均質(zhì)的導(dǎo)熱物體中，

4、通過某導(dǎo)熱面積的熱流密度正比于該導(dǎo)熱面法向溫度變化率。19 .定解條件(單值性條件)：使微分方程獲得適合某一特定問題解的附加條件，包括初始條件和邊界條件。20 .熱輻射：由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，而將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)換成電磁波的能量發(fā)射出去的過程。21 .吸收比：投射到物體表面的熱輻射中被物體所吸收的比例。22 .反射比：投射到物體表面的熱輻射中被物體表面所反射的比例。23 .黑體、透明體、白體24.透明體：透射比P=1的物體25 .黑度：實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值，即物體發(fā)射能力接近黑體的程度。26 .輻射力：單位時(shí)間內(nèi)物體的單位輻射面積向外界(半球空間)發(fā)射的全部波長

5、的輻射能。27 .角系數(shù)：從表面1發(fā)出的輻射能直接落到表面2上的百分?jǐn)?shù)。一、概念題1、試分析室內(nèi)暖氣片的散熱過程，各個(gè)環(huán)節(jié)有哪些熱量傳遞方式？以暖氣片管內(nèi)走熱水為例。答：有以下?lián)Q熱環(huán)節(jié)及傳熱方式：(1)由熱水到暖氣片管道內(nèi)壁，熱傳遞方式為強(qiáng)制對(duì)流換熱；(2)由暖氣片管道內(nèi)壁到外壁，熱傳遞方式為固體導(dǎo)熱；(3)由暖氣片管道外壁到室內(nèi)空氣，熱傳遞方式有自然對(duì)流換熱和輻射換熱。2、試分析冬季建筑室內(nèi)空氣與室外空氣通過墻壁的換熱過程，各個(gè)環(huán)節(jié)有哪些熱量傳遞方式？答：有以下?lián)Q熱環(huán)節(jié)及傳熱方式：(1)室內(nèi)空氣到墻體內(nèi)壁，熱傳遞方式為自然對(duì)流換熱和輻射換熱；(2)墻的內(nèi)壁到外壁，熱傳遞方式為固體導(dǎo)熱；(3)

6、墻的外壁到室外空氣，熱傳遞方式有對(duì)流換熱和輻射換熱。3、分別寫出Nu、Re、Pr、Bi數(shù)的表達(dá)式，并說明其物理意義。答：(1)(1)努塞爾(Nusselt)數(shù)，NuNu”，它表示表面上無量綱溫度梯度的大小。(2)雷諾(Reynolds)數(shù),ReH,它表示慣性力和粘性力的相對(duì)大小。(3)(3)普朗特?cái)?shù)，prpr 它表示動(dòng)量擴(kuò)散厚度和能量擴(kuò)散厚度的相對(duì)大小。a a(4)畢渥數(shù)，Bi吧，它表示導(dǎo)熱體內(nèi)部熱阻與外部熱阻的相對(duì)大小。4、氣體、液體和固體的導(dǎo)熱機(jī)理分別是什么？按照導(dǎo)熱機(jī)理，水的氣、液、固三種狀態(tài)中那種狀態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)最大？答：根據(jù)導(dǎo)熱機(jī)理可知，固體導(dǎo)熱系數(shù)大于液體導(dǎo)熱系數(shù)；液體導(dǎo)熱系數(shù)大于氣

7、體導(dǎo)熱系數(shù)。所以水的氣、液、固三種狀態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)依次增大。5、熱擴(kuò)散系數(shù)是表征什么的物理量？它與導(dǎo)熱系數(shù)的區(qū)別是什么？答：熱擴(kuò)散率a,與導(dǎo)熱系數(shù)一樣都是物性參數(shù)，它是表征物體傳遞溫度的能力大小，亦稱為 c導(dǎo)溫系數(shù)，熱擴(kuò)散率取決于導(dǎo)熱系數(shù)和 c 的綜合影響；而導(dǎo)熱系數(shù)是反映物體的導(dǎo)熱能力大小的物性參數(shù)。一般情況下，穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的溫度分布取決于物體的導(dǎo)熱系數(shù)，但非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的溫度分布不僅取決于物體的導(dǎo)熱系數(shù)，還取決于物體的導(dǎo)溫系數(shù)。6、灰體的含義？答： 灰體是指物體單色輻射力與同溫度黑體單色輻射力隨波長的變化曲線相似， 或它的單色發(fā)射率不隨波長變化的物體；或單色吸收比與波長無關(guān)的物體，即單色吸收比為常數(shù)

8、的物體。(注：灰體與黑體可以輻射的波長一樣，為連續(xù)全波段)7、影響對(duì)流換熱系數(shù)的因素有哪些？答：8、分別寫出Bi、Nu、Fo、Pr數(shù)的表達(dá)式，并說明Bi物理意義。答：(1)(1)畢渥數(shù)，B Bi旦，它表示導(dǎo)熱體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻與外部對(duì)流換熱熱阻的相對(duì)大小。(2)努塞爾數(shù)，NU以，它表示壁面附近流體無量綱溫度梯度的大小，反映對(duì)流換熱過程的強(qiáng)度。(3)傅立葉數(shù)，F(xiàn)o=，它表示非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的無量綱時(shí)間。（4）普朗特?cái)?shù)，Pr一它表示動(dòng)量擴(kuò)散和能量擴(kuò)散的相對(duì)大小，是反映流動(dòng)邊界層厚度和熱邊界層a厚度的相對(duì)大小。9、什么是物體表面的吸收比（率）？它與哪些因素有關(guān)？答：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)稱為該物體的

9、吸收比（率），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(duì)于全波長的特性還與投射能量的波長分布有關(guān)關(guān)。10、黑體輻射包括哪幾個(gè)定律？答：普朗克定律、維恩位移定律、斯蒂芬-玻爾茲曼定律、蘭貝特定律。11、寫出兩表面間輻射換熱中的角系數(shù)的表達(dá)式，并說明其物理意義。答：它表示Ai表面發(fā)射出的輻射能中直接落到另一表面A2上的百分?jǐn)?shù)?；蛘咚硎倦x開Ai表面的輻射能中直接落到另一表面A2上的百分?jǐn)?shù)。12、表面輻射熱阻答：當(dāng)物體表面不是黑體時(shí)，該表面不能全部吸收外來投射的輻射能量，這相當(dāng)于表面存在熱阻，該1，一熱阻稱為表面輻射熱阻，常以1來表小。A1313、在寒冷的北方地區(qū)，建

10、房用磚采用實(shí)心磚還是多孔的空心磚好？為什么？答：采用空心磚較好，因?yàn)榭招拇u內(nèi)部充滿著空氣，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較小，熱阻較大，空心磚導(dǎo)熱性較之實(shí)心磚差，同一條件下空心磚的房間的散熱量小保溫性好。1414、下列材料中導(dǎo)熱系數(shù)最大的是（純銅）純銅（b b）純鐵（c c）黃銅（d d）天然金剛石1515、為什么多層平壁中的溫度分布曲線不是一條連續(xù)的直線而是一條折線？1616、什么是物體的發(fā)射率和吸收率？對(duì)于近距面積相等的平行大平面二者在什么條件下相等？答：實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比稱為該物體的發(fā)射率；投射到物體表面的總能量中被吸收的能量所占的份額是物體的吸收率。由基爾霍夫定律可知，熱

11、平衡條件下，吸收率=發(fā)射率。1717、窗玻璃對(duì)紅外線幾乎是不透過的，但為什么隔著玻璃曬太陽卻使人感到暖和？答：窗玻璃對(duì)紅外線幾乎不透過，但對(duì)可見光則是可透過的，當(dāng)隔著玻璃曬太陽時(shí)，太陽光可以穿過玻璃進(jìn)入室內(nèi)，而室內(nèi)物體發(fā)出的紅外線卻被阻隔在室內(nèi)，因房間內(nèi)溫度越來越高，從而感到暖和。1818、對(duì)流換熱過程微分方程式表達(dá)的物理意義是什么？與導(dǎo)熱過程的第三類邊界條件表達(dá)式有什么不同之處？答：對(duì)流換熱過程微分方程式與導(dǎo)熱過程的第三類邊界條件表達(dá)式都可以用下式表示hxL，但是，前者的導(dǎo)熱系數(shù)為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，而且表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h h 是未知的；后者(t(twt tf) )xy yw,x的導(dǎo)熱系數(shù)為固體的

12、導(dǎo)熱系數(shù)，而且表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h h 是已知的。1919、什么是等溫線？在連續(xù)的溫度場中，等溫線的特點(diǎn)是什么？2020、寫出傅立葉定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并解釋其物理意義。2121、輻射的特點(diǎn)有哪些？與熱對(duì)流、導(dǎo)熱的不同之處？二、計(jì)算題(一)計(jì)算題類型1、穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題(1)單層及多層平壁導(dǎo)熱問題的計(jì)算，(2)單層及多層圓筒壁導(dǎo)熱問題的計(jì)算X2、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題(要求理解且會(huì)應(yīng)用)(1)公式法或諾謨圖法求解任意形狀物體(如熱電偶或平板)的瞬態(tài)冷卻或加熱問題。3、對(duì)流換熱問題(1)外掠平板或管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱問題在不同流態(tài)下的換熱分析及計(jì)算。(2)橫掠單管及管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱問題的計(jì)算。4、輻射換熱問題(1)兩

13、個(gè)非凹面組成的封閉腔體，各個(gè)表面之間的輻射換熱問題的計(jì)算(2)兩個(gè)平行平板之間的輻射換熱問題的計(jì)算(3)綜合傳熱問題的計(jì)算(重點(diǎn))(二)計(jì)算題例題1、室內(nèi)一根水平放置的無限長的蒸汽管道，具保溫層外徑d=583mm,外表面實(shí)測平均溫度及空tw48C,tf23C氣溫度分別為，此時(shí)空氣與管道外表面間的自然對(duì)流換熱的表面例數(shù)系數(shù)h=3.42W/(m2K),墻壁的溫度近似取為室內(nèi)空氣的溫度，保溫層外表面的發(fā)射率問：(1)此管道外壁的換熱必須考慮哪些熱量傳遞方式；(2)計(jì)算每米長度管道外壁的總散熱量。(12分)解：(1)此管道外壁的換熱有輻射換熱和自然對(duì)流換熱兩種方式。(2)把管道每米長度上的散熱量記為a

14、ql當(dāng)僅考慮自然對(duì)流時(shí)，單位長度上的自然對(duì)流散熱qi,cdhtdh(twtf)3.140.5833.42(4823)156.5(W/m)近似地取墻壁的溫度為室內(nèi)空氣溫度，于是每米長度管道外表面與室內(nèi)物體及墻壁之間的輻射為:44qi,rd(T14T24)8443.140.5835.67100.9(48273)(23273)274.7(W/m)總的散熱量為 qiqi,cqi,r156.5274.7431.2(W/m)2、一根直徑為1mm的銅導(dǎo)線，每米的電阻為 2.22103。導(dǎo)線外包有厚度為0.5mm,導(dǎo)熱系數(shù)為0.15W/(mK)的絕緣層。限定絕緣層的最高溫度為65C,絕緣層的外表面溫度受環(huán)境影

15、響，假設(shè)為400C。 試確定該導(dǎo)線的最大允許電流為多少？解：(1)以長度為L的導(dǎo)線為例， 導(dǎo)線通電后生成的熱量為I2RL,其中的一部分熱量用于導(dǎo)線的升溫,d2dT_其熱量為 EcL-m:一部分熱量通過絕熱層的導(dǎo)熱傳到大氣中，其熱量為:4d根據(jù)能量守恒定律知：I2RLEEI2RLtw1tw201.d2in一2Ld13、空氣以10m/s速度外掠0.8m長的平板，tf800C,tw300C,計(jì)算該平板在臨界雷諾數(shù)Rec下的抽、全板平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及換熱量。(層流時(shí)平板表面局部努塞爾數(shù)流時(shí)平板表面局部努塞爾數(shù) Nux0.0296R4/5Pr1/3,板寬為1m,已知 Rec解：(1)根據(jù)臨界雷諾數(shù)求解

16、由層流轉(zhuǎn)變到紊流時(shí)的臨界長度102W/(mK),18.46106m2/s,Pr0.69756Rec510518.46106Xc0.92(m)u10由于板長是0.8m,所以，整個(gè)平板表面的邊界層的流態(tài)皆為層流ul100.8Re_A18.46106全板平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：_1/2_1/32.8710_51/2_1/3_2_h0.664RecPr0.664(4.33105)0.69713.9(W/m2C)hA(tftw)13.90.81(8030)557.9W即Ec%*|2RLtw1tw2d7In2Ld1(2)當(dāng)導(dǎo)線達(dá)到最高溫度時(shí),導(dǎo)線處于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,00I0I2RLRLtw1tw21,d1,d2InI

17、n2Ld2Ld12Rt tw1t tw21d7d7InIn22d2d14012ln-20.1516533.98(W/m),I2R33.98I33.9833.982.22103123.7(A)Nux0.332Re/2Pr1/3,紊105,定性溫度 tm550C時(shí)的物性參數(shù)為:2.87102W/(mK),18.46106m2/s,Pr0.697)tm2(tftw)550C,此時(shí)空氣得物性參數(shù)為:2.87ulRecNux處0.332Re/2Pr1/31/21/3hc0.332RePrlc2c2.87105、1/2cccr1/320.332(510)0.6977.41(W/mC)0.8(2)板長為0.

18、8m時(shí),整個(gè)平板表面的邊界層的雷諾數(shù)為:_54.33105全板平均表面換熱量4、溫度tf50C的空氣平行掠過一表面溫度為 tw1000c 的平板表面，平板下表面絕熱。平板沿流動(dòng)方向的長度為0.2m,寬度為0.1m。此時(shí)按平板長度計(jì)算的雷諾數(shù)R6104。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(shí)，其它條件不變，平板表面與空氣間的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱量。(層流時(shí)平板表面局部努塞爾數(shù) Nux0.332R；/2Pr1/3,紊流時(shí)平板表面平均努塞爾數(shù) Nu(0.037R4/5871)限3,已知定性溫度 tm750C 時(shí)的物性參數(shù)為：0.0299W/(mK),pr0.7)。1解：(1)空氣的定性溫度tma(tftw)750C,此時(shí)的物性參數(shù)為：0.0299W/(mK),甘0.7,由于 Re61045105,屬層流流態(tài)。1/21/3,，0.02991c4、1/2人)1/32故 h0.664RePr0.664(610)0.721.59(W/mC)l0.2換熱量 hA(twtf)21.590.20.1(10050)21.59W(2)若流速增加10倍，Re2出 10,Re261055105,屬紊流流態(tài)。Re1UINu(0.037RNu