傳熱學簡答分析題總結(jié)Word版

整理為word格式整理為word格式整理為word格式簡答題總結(jié)緒論部分主要包括導(dǎo)熱、對流換熱、輻射換熱的特點及熱傳遞方式辨析。1、冬天，經(jīng)過在白天太陽底下曬過的棉被，晚上蓋起來感到很暖和，并且經(jīng)過拍打以后，效果更加明顯。試解釋原因。答：棉被經(jīng)過晾曬以后，可使棉花的空隙里進人更多的空氣。而空氣在狹小的棉絮空間里的熱量傳遞方式主要是導(dǎo)熱，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小(20℃，1.01325×105Pa時，空氣導(dǎo)熱系數(shù)為0.0259W/(m·K)，具有良好的保溫性能。而經(jīng)過拍打的棉被可以讓更多的空氣進入，因而效果更明顯。2、夏季在維持20℃的室內(nèi)工作，穿單衣感到舒適，而冬季在保持22℃的室內(nèi)工作時，卻必須穿絨衣才覺得舒服。試從傳熱的觀點分析原因。答：首先，冬季和夏季的最大區(qū)別是室外溫度的不同。夏季室外溫度比室內(nèi)氣溫高，因此通過墻壁的熱量傳遞方向是出室外傳向室內(nèi)。而冬季室外氣溫比室內(nèi)低，通過墻壁的熱量傳遞方向是由室內(nèi)傳向室外。因此冬季和夏季墻壁內(nèi)表面溫度不同，夏季高而冬季低。因此，盡管冬季室內(nèi)溫度(22℃)比夏季略高(20℃)，但人體在冬季通過輻射與墻壁的散熱比夏季高很多。根據(jù)上題人體對冷感的感受主要是散熱量的原理，在冬季散熱量大，因此要穿厚一些的絨衣。3、試分析室內(nèi)暖氣片的散熱過程，各環(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)及熱傳遞方式(1)由熱水到暖氣片管到內(nèi)壁，熱傳遞方式是對流換熱(強制對流)；(2)由暖氣片管道內(nèi)壁至外壁，熱傳遞方式為導(dǎo)熱；(3)由暖氣片外壁至室內(nèi)環(huán)境和空氣，熱傳遞方式有輻射換熱和對流換熱。4、冬季晴朗的夜晚，測得室外空氣溫度t高于0℃，有人卻發(fā)現(xiàn)地面上結(jié)有—層簿冰，試解釋原因(若不考慮水表面的蒸發(fā))。解：如圖所示。假定地面溫度為了Te，太空溫度為Tsky，設(shè)過程已達穩(wěn)態(tài)，空氣與地面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h，地球表面近似看成溫度為Tc的黑體，太空可看成溫度為Tsky的黑體。則由熱平衡：，由于Ta＞0℃，而Tsky＜0℃，因此，地球表面溫度Te有可能低于0℃，即有可能結(jié)冰。整理為word格式整理為word格式整理為word格式導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)及穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱部分1、一維無內(nèi)熱源、平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的溫度場如圖所示。試說明它的導(dǎo)熱系數(shù)λ是隨溫度增加而增加，還是隨溫度增加而減小?答:由傅立葉里葉定律，圖中隨x增加而減小，因而隨2增加x而增加，而溫度t隨x增加而降低，所以導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度增加而減小。2、如圖所示的雙層平壁中，導(dǎo)熱系數(shù)λ1，λ2為定值，假定過程為穩(wěn)態(tài)，試分析圖中三條溫度分布曲線所對應(yīng)的λ1和λ2的相對大小。答：由于過程是穩(wěn)態(tài)的，因此在三種情況下，熱流量分別為常數(shù)，即：所以對情形①：；同理，對情形②：；對情形③：。3、在寒冷的北方地區(qū)，建房用磚采用實心磚還是多孔的空心磚好?為什么?答：在其他條件相同時，實心磚材料如紅磚的導(dǎo)熱系數(shù)約為0．5W/(m·K)(35℃)，而多孔空心磚中充滿著不動的空氣，空氣在純導(dǎo)熱(即忽略自然對流)時，其導(dǎo)熱系數(shù)很低，是很好的絕熱材料。因而用多孔空心磚好。整理為word格式整理為word格式整理為word格式4、兩種幾何尺寸完全相同的等截面直肋，在完全相同的對流環(huán)境(即表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和流體溫皮均相同)下，沿肋高方向溫度分布曲線如圖所示。請判斷兩種材料導(dǎo)熱系數(shù)的大小和肋效率的高低?答：對一維肋片，導(dǎo)熱系數(shù)越高時，沿肋高方向熱阻越小，因而沿肋高方向的溫度變化(降落或上升)越小。因此曲線1對應(yīng)的是導(dǎo)熱系數(shù)大的材料．曲線2對應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)小的材料。而且，由肋效率的定義知，曲線1的肋效率高于曲線2。5、用套管溫度計測量容器內(nèi)的流體溫度，為了減小測溫誤差，套管材料選用銅還是不銹鋼?答：由于套管溫度計的套管可以視為一維等截面直助，要減小測溫誤差(即使套管頂部溫度tH盡量接近流體溫度tf)，應(yīng)盡量減小沿套管長度流向容器壁面的熱量，即增大該方向的熱阻。所以，從套管樹料上說應(yīng)采用導(dǎo)熱系數(shù)更小的不銹鋼。6、工程中應(yīng)用多孔性材料作保溫隔熱,使用時應(yīng)注意什么問題?為什么?答：應(yīng)注意防潮。保溫材料的一個共同特點是它們經(jīng)常呈多孔狀，或者具有纖維結(jié)構(gòu)，其中的熱量傳遞是導(dǎo)熱、對流換熱、熱輻射三種傳熱機理聯(lián)合作用的綜合過程。如果保溫材料受潮，水分將替代孔隙中的空氣，這樣不僅水分的導(dǎo)熱系數(shù)高于空氣，而且對流換熱強度大幅度增加，這樣材料保溫性能會急劇下降。7、λ為變量的一維導(dǎo)熱問題。某一無限大平壁厚度為δ，內(nèi)、外表面溫度分別為ｔw1、ｔW2，導(dǎo)熱系數(shù)為λ=λ0(1+bt)W/mK，試確定平壁內(nèi)的溫度分布和熱流通量。設(shè)平壁內(nèi)無內(nèi)熱源。，，，溫度分布：熱流通量：同學們可以根據(jù)的特點，按照題2的方法分析b>0和b<0對應(yīng)圖中哪一條曲線。整理為word格式整理為word格式整理為word格式非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱本節(jié)基本概念主要包括：對物理問題進行分析，得出其數(shù)學描寫(控制方程和定解條件)；定性畫出物體內(nèi)的溫度分布；集總參數(shù)法的定性分析；時間常數(shù)概念的運用；一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析解的討論；對海斯勒圖(諾謨圖)的理解；乘積解在多維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱中的應(yīng)用；半無限大物體的基本概念。1、由導(dǎo)熱微分方程可知，非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱只與熱擴散率有關(guān)，而與導(dǎo)熱系數(shù)無關(guān)。你認為對嗎?答：由于描述一個導(dǎo)熱問題的完整數(shù)學描寫不僅包括控制方程，還包括定解條件。所以雖然非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的控制方程只與熱擴散率有關(guān)，但邊界條件中卻有可能包括導(dǎo)熱系數(shù)λ(如第二或第三類邊界條件)。因此上述觀點不對。2、無內(nèi)熱源，常物性二維導(dǎo)熱物體在某一瞬時的溫度分布為t＝2y2cosx。試說明該導(dǎo)熱物體在x＝0，y=1處的溫度是隨時間增加逐漸升高，還是逐漸降低。答：由導(dǎo)熱控制方程，得：當時，，故該點溫度隨時間增加而升高。3、兩塊厚度為30mm的無限大平板，初始溫度為20℃，分別用銅和鋼制成。平板兩側(cè)表面的溫度突然上升到60℃，試計算使兩板中心溫度均上升到56℃時兩板所需時間之比。銅和鋼的熱擴散率分別為103×10-6m2／s，12.9×10-6m2/s。答：一維非穩(wěn)態(tài)無限大平板內(nèi)的溫度分布有如下函數(shù)形式：兩塊不同材料的無限大平板，均處于第一類邊界條件(即Bi→∞)。由題意，兩種材料達到同樣工況時，Bi數(shù)和相同，要使溫度分布相同，則只需Fo數(shù)相等，因此：，即，而δ在兩種情況下相等，因此：4、東北地區(qū)春季,公路路面常出現(xiàn)“彈簧”,冒泥漿等“翻漿”病害。試簡要解釋其原因。為什么南方地區(qū)不出現(xiàn)此病害?東北地區(qū)的秋冬季節(jié)也不出現(xiàn)“翻漿”?整理為word格式整理為word格式整理為word格式答：此現(xiàn)象可以由半無限大物體（地面及地下）周期性非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱現(xiàn)象的溫度波衰減及溫度波時間延遲特征來解釋。公路路面“彈簧”及“翻漿”病害產(chǎn)生的條件是：地面以下結(jié)冰，而地表面已解凍（表面水無法滲如地下）。東北地區(qū)春季地表面溫度已高于0℃，但由于溫度波的時間延遲，地下仍低于0℃，從而產(chǎn)生了公路路面“彈簧”及“翻漿”等病害。東北地區(qū)的秋冬季節(jié)，雖然地表面溫度已低于0℃，但由于溫度波的時間延遲，地下仍高于0℃，從而不會產(chǎn)生“翻漿”。南方地區(qū)不出現(xiàn)此病害的原因是，由于溫度波衰減的特征，使得地下部分不會低于0℃，當然不會出現(xiàn)此病害。對流換熱概述一、基本概念主要包括對流換熱影響因素；邊界層理論及分析；理論分析法（對流換熱微分方程組、邊界層微分方程組）；動量與熱量的類比；相似理論；外掠平板強制對流換熱基本特點。1、由對流換熱微分方程知，該式中沒有出現(xiàn)流速，有人因此得出結(jié)論：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與流體速度場無關(guān)。試判斷這種說法的正確性?答：這種說法不正確，因為在描述流動的能量微分方程中，對流項含有流體速度，即要獲得流體的溫度場，必須先獲得其速度場，“流動與換熱密不可分”。因此表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)必與流體速度場有關(guān)。2、在流體溫度邊界層中，何處溫度梯度的絕對值最大?為什么?有人說對一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體，可以用貼壁處溫度梯度絕對值的大小來判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小，你認為對嗎?答：在溫度邊界層中，貼壁處流體溫度梯度的絕對值最大，因為壁面與流體間的熱量交換都要通過貼壁處不動的薄流體層，因而這里換熱最劇烈。由對流換熱微分方程，對一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體λ與△t均保持為常數(shù)，因而可用絕對值的大小來判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小。3、簡述邊界層理論的基本論點。答：邊界層厚度δ、δt與壁的尺寸l相比是極小值；邊界層內(nèi)壁面速度梯度及溫度梯度最大；邊界層流動狀態(tài)分為層流與紊流,而紊流邊界層內(nèi),緊貼壁面處仍將是層流,稱為層流底層；流場可以劃分為兩個區(qū)：邊界層區(qū)（粘滯力起作用）和主流區(qū)，溫度同樣場可以劃分為兩個區(qū)：邊界層區(qū)（存在溫差）和主流區(qū)（等溫區(qū)域）；整理為word格式整理為word格式整理為word格式對流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區(qū)域的導(dǎo)熱熱阻。層流邊界層的熱阻為整個邊界層的導(dǎo)熱熱阻。紊流邊界層的熱阻為層流底層的導(dǎo)熱熱阻。4、試引用邊界層概念來分析并說明流體的導(dǎo)熱系數(shù)、粘度對對流換熱過程的影響。答：依據(jù)對流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區(qū)域的導(dǎo)熱熱阻。層流邊界層的熱阻為整個邊界層的導(dǎo)熱熱阻。紊流邊界層的熱阻為層流底層的導(dǎo)熱熱阻。導(dǎo)熱系數(shù)越大，將使邊界層導(dǎo)熱熱阻越小，對流換熱強度越大；粘度越大，邊界層（層流邊界層或紊流邊界層的層流底層）厚度越大，將使邊界層導(dǎo)熱熱阻越大，對流換熱強度越小。5、確定對流換熱系數(shù)h有哪些方法?試簡述之。答：求解對流換熱系數(shù)的途徑有以下四種:(1)建立微分方程組并分析求解___應(yīng)用邊界層理論,采用數(shù)量級分析方法簡化方程組,從而求得精確解,得到了Re,Pr及Nu等準則及其準則關(guān)系,表達了對流換熱規(guī)律的基本形式。(2)建立積分方程組并分析求解___先假定邊界層內(nèi)的速度分布和溫度分布然后解邊界層的動量和能量積分方程式求得流動、熱邊界層厚度,從而求得對流換熱系數(shù)及其準則方程式。以上兩法目前使用于層流問題。(3)根據(jù)熱量傳遞和動量傳遞可以類比，建立類比律，借助于流動摩擦阻力的實驗數(shù)據(jù)，求得對流換熱系數(shù)。此法較多用于紊流問題。(4)由相似理論指導(dǎo)實驗，確定換熱準則方程式的具體形式，提供工程上常用準則方程式，求解準則關(guān)聯(lián)式得到對流換熱系數(shù)。6、為什么熱量傳遞和動量傳遞過程具有類比性?答：如果用形式相同的無量綱方程和邊界條件能夠描述兩種不同性質(zhì)的物理現(xiàn)象，就稱這兩種現(xiàn)象是可類比的，或者可比擬的。把它們的有關(guān)變量定量地聯(lián)系起來的關(guān)系式就是類比律?？梢宰C明，沿平壁湍流時的動量和能量微分方程就能夠表示成如下形式：其中：7、有若干個同類物理現(xiàn)象,怎樣才能說明其單值性條件相似。試設(shè)想用什么方法對以實現(xiàn)物體表面溫度恒定、表面熱流量恒定的邊界條件?答：所謂單值條件是指包含在準則中的各已知物理量，即影響過程特點的那些條件──時間條件、物理條件、邊界條件。所謂單值性條件相似,首先是時間條件相似(穩(wěn)態(tài)過程不存在此條件)。然后,幾何條件、邊界條件及物理條件要分別成比例。采用飽和蒸汽（或飽和液體）加熱（或冷卻）可實現(xiàn)物體表面溫度恒定的邊界條件，而采用電加熱可實現(xiàn)表面熱流量恒定的邊界條件。8、管內(nèi)紊流受迫對流換熱時，Nu數(shù)與Re數(shù)和Pr數(shù)有關(guān)。試以電加熱方式加熱管內(nèi)水的受迫對流為例，說明如何應(yīng)用相似理論設(shè)計實驗，并簡略繪制出其實驗系統(tǒng)圖。答：⑴模型的選取依據(jù)判斷相似的條件，首先應(yīng)保證是同類現(xiàn)象，包括單值性條件相似；其次是保證同名已定準則數(shù)相等。整理為word格式整理為word格式整理為word格式選取無限長圓管；圓管外套設(shè)有電加熱器。屬于管內(nèi)水的純受迫流動。⑵需要測量的物理量準則數(shù)方程式形式為。由Re、Nu、Φ=IU、牛頓冷卻公式，以及，可確定需要測量的物理量有：qv，d，，L，，，I，U。所有流體物性由定性溫度查取水的物性而得。⑶實驗數(shù)據(jù)的整理方法根據(jù)相似準則數(shù)之間存在由微分方程式?jīng)Q定的函數(shù)關(guān)系，對流傳熱準則數(shù)方程式形式應(yīng)為，實驗數(shù)據(jù)整理的任務(wù)就是確定Ｃ和ｎ的數(shù)值。為此必須有多組的實驗數(shù)據(jù)。由多組的實驗數(shù)據(jù)，得：（Re、Pr）i→Nui將轉(zhuǎn)化為直線方程：；由（Re、Pr）i→Nui得Ｘi→Ｙi，確定系數(shù)n和C。確定系數(shù)n和C的方法有圖解法（右圖）和最小二乘法。圖中的直線斜率即準則關(guān)聯(lián)式的n，截距即式中的lgC，即,。注意：為保證結(jié)果的準確性，直線應(yīng)盡量使各點處在該線上，或均勻分布在其兩側(cè)。⑷實驗結(jié)果的應(yīng)用根據(jù)相似的性質(zhì)，所得的換熱準則數(shù)式可以應(yīng)用到無數(shù)的與模型物理相似的現(xiàn)象群，而不僅僅是實物的物理現(xiàn)象。之所以說是現(xiàn)象群，是因為每一個Re均對應(yīng)著一個相似現(xiàn)象群。簡單的實驗系統(tǒng)如圖所示。整理為word格式整理為word格式整理為word格式9、繪圖說明氣體掠過平板時的流動邊界層和熱邊界層的形成和發(fā)展。答：當溫度為tf的流體以u∞速度流入平板前緣時，邊界層的厚度δ=δt=0，沿著X方向，隨著X的增加，由于壁面粘滯力影響逐漸向流體內(nèi)部傳遞，邊界層厚度逐漸增加，在達到Xc距離(臨界長度Xc由Rec來確定)之前，邊界層中流體的流動為層流，稱為層流邊界層，在層流邊界層截面上的流速分布，溫度分布近似一條拋物線，如圖所示。在Xc之后，隨著邊界層厚度δ的增加，邊界層流動轉(zhuǎn)為紊流稱為紊流邊界層，即使在紊流邊界層中，緊貼著壁面的薄層流體，由于粘滯力大，流動仍維持層流狀態(tài)，此極薄層為層流底層δt，在紊流邊界層截面上的速度分布和溫度分布在層流底層部分較陡斜，近于直線，而底層以外區(qū)域變化趨于平緩。單相流體對流換熱及準則關(guān)聯(lián)式部分一、基本概念主要包括管內(nèi)強制對流換熱基本特點；外部流動強制對流換熱基本特點；自然對流換熱基本特點；對流換熱影響因素及其強化措施。1、對皆內(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?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(yīng)”，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。2、其他條件相同時，同一根管子橫向沖刷與縱向沖刷相比，哪個的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，為什么？答：橫向沖刷時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。因為縱向沖刷時相當于外掠平板的流動，熱邊界層較厚，而橫向沖刷時熱邊界層薄且存在由于邊界層分離而產(chǎn)生的旋渦，增加了流體的擾動，因而換熱強。3、在進行外掠圓柱體的層流強制對流換熱實驗研究時，為了測量平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需要布置測量外壁溫度的熱電偶。試問熱電偶應(yīng)布置在圓柱體周向方向何處?答：橫掠圓管局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)如圖。在0-1800內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的平均值hm與該曲線有兩個交點，其所對應(yīng)的周向角分別為φ1，φ2。布置熱電偶時，應(yīng)布置在φ1，φ2所對應(yīng)的圓周上。由于對稱性，在圓柱的下半周還有兩個點以布置。4、在地球表面某實驗室內(nèi)設(shè)計的自然對流換熱實驗，到太空中是否仍然有效，為什么？答：該實驗到太空中無法得到地面上的實驗結(jié)果。因為自然對流是由流體內(nèi)部的溫度差從而引起密度差并在重力的作用下引起的。在太空中實驗裝置格處于失重狀態(tài)，因而無法形成自然對流，所以無法得到頂期的實驗結(jié)果。整理為word格式整理為word格式整理為word格式5、管束的順排和叉排是如何影響換熱的?答：這是個相當復(fù)雜的問題,可簡答如下：叉排時,流體在管間交替收縮和擴張的彎曲通道中流動,而順排時則流道相對比較平直,并且當流速和縱向管間距s2較小時,易在管的尾部形成滯流區(qū).因此,一般地說,叉排時流體擾動較好,換熱比順排強.或：順排時，第一排管子正面受到來流的沖擊，故φ=0處換熱最為激烈，從第二排起所受到的沖擊變?nèi)?，管列間的流體受到管壁的干擾較小，流動較為穩(wěn)定。叉排時每排管子受到的沖擊相差不大，但由于流體的流動方向不斷改變，混合情況比順流好，一般情況下，差排的平均換熱系數(shù)比順排時為大。6、空氣沿豎板加熱自由流動時,其邊界層內(nèi)的速度分布與空