1、 傳熱學復習資料 李向鵬，馮雄雄、劉曉明1.試寫出普朗克定律，蘭貝格定律的數學表達式，并說明其物理意義及數學表達式中各符號的意義與單位。答：（1）、普朗克定律：E b=C1-5eC2T-1；物理意義：單位時間內單位表面積向其上的半球空間的所有方向輻射出去的在包含波長在內的單位波長內的能量稱為光譜輻射力，記為Eb單位為W/（m2 ×m）或W/（m2 ×m）Eb-黑體光譜輻射力，W/m3 ；-波長，m；T-黑體熱力學溫度，ke-自然對數的底； C1-第一輻射常量，3.7419×10-16W·m2C2-第二輻射常量1.4388×10-2 m·

2、;k（2）、蘭貝特定律：d()dAdcos=I；物理意義：面積為的dA的黑體微元面積內圍繞空間結構角方向的微元立體角d內輻射出去的能量為d（）；I-常數，與方向無關；d（）-輻射出去的能量，WdAcos-可以視為從方向看過去的面積稱為可見面積，m2d-微元立體角，sr2試闡述導熱、對流傳熱及輻射傳熱三種傳遞方式之間的聯系與區別？答：導熱和對流的區別在于：物體內部依靠微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞現象，稱為導熱；對流則是流體各部分之間發生宏觀相對位移及冷熱流體的相互摻混。聯系是：在發生對流換熱的同時必然伴生有導熱。導熱、對流這兩種熱量傳遞方式，只有在物質存在的條件下才能實現，而輻射可以在真空中

3、傳播，輻射換熱時不僅有能量的轉移還伴有能量形式的轉換。3試寫出以熱流密度表示的傅里葉定律、牛頓冷卻定律及斯忒藩-玻爾茲曼定律的數學表達式，并寫出表達式中各符號的意義與單位。答：傅里葉定律：，其中，q-熱流密度；-導熱系數-表征材料導熱能力的大小，是一種物理參數，與材料種類和溫度有關；-沿x方向的溫度變化率-表示熱量傳遞的方向是沿著溫度降低的方向。牛頓冷卻公式：q=h(tw-tf),其中q-熱流密度；h-表面傳熱系數-當流體與壁面溫度相差1°時，每單位壁面面積上、單位時間內所傳遞的熱量；tw-固體表面溫度；tf-流體的溫度。斯忒藩-玻爾茲曼定律：q=T4，其中，q-熱流密度；-斯忒藩-

4、玻爾茲曼常數；T-輻射物體的熱力學溫度。4由對流換熱微分方程式表明，在邊界值上垂直于壁面的熱量傳遞完全依靠導熱，那么在對流換熱過程中流體的流動起什么作用？答：（1）、在描述對流換熱的能量微分方程中，對流項含有流體速度，即要獲得流體的溫度場，必須先獲得速度場，只有流體流動，才能建立流動速度場；（2）、流體流動可帶來熱量，亦可帶走熱量，流動與換熱密不可分。5.家用熱水器，瓶膽的兩層玻璃之間抽成真空，內膽外壁及外膽內壁涂了發射率很低的銀。試應用傳熱學的理論分析熱水瓶具有保溫作用的原因。如果不小心破壞了瓶膽上抽氣口的密封，這會影響保溫效果嗎？答：由于瓶膽的兩層玻璃間抽成真空，真空使通過導熱的熱損失降到

5、最低，真空情況下不存在對流換熱。涂了反射率很低的銀，減少了熱輻射換熱。抽氣口破壞極大地影響保溫效果。6. 試畫出大容器沸騰的q-t曲線，并對熱流密度可控及壁面溫度可控的兩種情形，分別說明控制熱流密度小于臨界流體密度及溫差小于臨界溫差的意義。對于依靠控制熱流密度來改變工況的加熱設備，一旦熱流密度超過峰值，工況將沿qmax點的虛線跳至穩定膜態沸騰線，溫度將猛升至1000度，可能導致設備的燒毀，所以必須嚴格監視和控制熱流密度，確保在安全工作范圍之內。對于壁溫可控的設備，一旦q超過轉折點之值，就可能導致膜態沸騰，在相同的壁溫下使熱量大大減少。7. 用套管溫度計測量容器內的熱流密度，為了減小測量誤差，套

6、管材料是選用銅還是不銹鋼？說明原因。答：由于套管溫度計的套管可視為一維截面直肋，要減小測量誤差（即使套管頂部溫度盡量接近流體溫度）應盡量減小沿套管長度流向容器壁面的熱量，即增大該方向熱阻，所以應用導熱系數小的不銹鋼。8.試寫出Nu、Pr、Gr、Re數的數學表達式，說明各數的物理意義。答：（1）努塞爾數，Nu=hll，它表示表面上無量綱溫度梯度的大小。     （2）雷諾數，nRe=ulv，它表示慣性力和粘性力的相對大小。 （3）普朗特數，Pr=va，它表示動量擴散厚度和能量擴散厚度的相對大小。 （4）畢渥數，Bi=hl，它表

7、示導熱體內部熱阻與外部熱阻的相對大小。(它表示無量綱熱阻)（5）格拉小夫數,Gr=gl3atv2，是流體浮升力與粘性力之比的度量10.定性說明速度邊界層厚度與熱邊界層厚度之間的關系?答：在同一位置上熱邊界層厚度與速度邊界層厚度的相對大小與流體的普朗特數pr有關，也就是與流體的熱擴散特性和動量擴散特性的相對大小有關。當普朗特數很小時，pr1（液態金屬），熱邊界層厚度 速度邊界層厚度，對于空氣，兩者大致相同pr1（高Pr的油類），速度邊界層厚度溫度邊界層厚度11.層流< 紊流；水>空氣；直管<彎管；光滑管<粗糙管；層流入口段>層流充分發展段13.試畫出大容器沸騰的q-

8、t曲線，并說明在q-t曲線中為什么穩定模態沸騰部分的曲線會隨t的增加而迅速上升？圖同6 此時t200，在加熱表面上形成穩定的汽膜層，相變過程不是發生在壁面上，而是在氣液界面上，但由于蒸汽的導熱系數遠小于液體的導熱系數，因此表面傳熱系數大大降低，而此時壁面溫度遠高于飽和溫度，因此需考慮汽膜內的輻射換熱，所以換熱強度又能有所提高。14.在你學過的對流傳熱中，表面傳熱系數計算中顯含傳熱溫差的有那幾種傳熱方式，不顯含傳熱溫差的有那幾種傳熱方式，不顯含傳熱溫差是否意味著與溫差沒有關系？答：表面傳熱系數計算中顯含傳熱溫差的有凝結換熱和沸騰換熱，對立換熱。不顯含傳熱溫差：湍流膜狀凝結換熱、有限空間自然對流換

9、熱，大空間自然對流換熱、內部強制對流換熱。不顯含傳熱溫差并不意味著與溫差沒有關系，只是溫差的影響隱含在公式適用范圍和物件計算中。15.什么收光譜吸收比？在不同光源照耀下，物體常呈現不同的顏色，如何解釋？答：物體在對對某一特定波長的輻射能所吸收的百分數，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長的變化體現了實際物體的選擇吸收的特性。物體的顏色是物體對光源某種波長的強烈反射，不同光源的光波不同，所以物體呈現不同的顏色。16.對于一般物體，吸收比等于發射率在什么條件下才成立？答：（1）整個系統處于熱平衡狀態；（2）若物體的吸收比和發射率與溫度有關，則二者只有處于同一溫度下的值才能相等；（3）投入輻射源必須是同

10、溫度下的黑體。17。從傳熱表面的結構而言，強化凝結換熱的基本思想是什么？強化沸騰換熱的基本思想是什么？答：，強化凝結換熱的基本思想是盡量減薄粘滯在換熱表面上液膜的厚度，強化沸騰換熱的基本思想是盡量增加換熱表面的汽化核心數17.用鋁制的水壺燒開水時，盡管爐火很旺，但水壺仍然安然無恙。而一旦壺內的水燒干后，水壺很快就燒壞。試從傳熱學的觀點分析這一現象答：當壺內有水時，可以對壺底進行很好的冷卻（水對壺底的對流換熱系數大），壺底的熱量被很快傳走而不至于溫度升得很高；當沒有水時，和壺底發生對流換熱的是氣體，因為氣體發生對流換熱的表面換熱系數小，壺底的熱量不能很快被傳走，故此壺底升溫很快，容易被燒壞。18

11、對流換熱問題完整的數字描述應包括什么內容？既然對大多數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字描述有什么意義？答：對流換熱問題完整的數字描述應包括：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系，每一種關系都必須滿足動量，能量和質量守恒關系，避免在研究遺漏某種物理因素19.試分別用數學語言將傳熱學術語說明導熱問題三種類型的邊界條件。對流換熱過程微分方程式與導熱過程的第三類邊界條件表達式兩者有什么不同之處？ 答：（1） 第一類邊界條件： 第二

12、類邊界條件： 第三類邊界條件：（2）對流換熱過程微分方程式： h=-tty|y=0  導熱過程的第三類邊界條件表達式為： 不同之處：對于微分換熱方程，h是未知數，為流體的導熱系數；導熱過程第三類邊界條件表達式，h作為已知的邊界條件給出，為固體的導熱系數。20在氣溫為10度的房間內用細繩掉一塊直徑均勻的圓柱冰塊，過一段時間后，冰塊的形狀會發生哪些變化？冰塊會在繩上完全融化嗎？答：由題意知，該冰柱的融化過程相當于豎圓柱的自然對流換熱。根據豎壁自然對流換熱的機理，由于冰柱壁面溫度低于周圍空氣溫度，故流體貼壁向下流動，邊界層上部薄而下部厚。局部對流換熱系數上部較大而下部較小，因此，雖然冰柱整

13、個會慢慢融化，但上部融化較快，其形狀會變得上部細、下部粗，不等在繩上全部融化就會掉在地上22圖中：q1從咖啡到瓶內膽的自然對流；q2通過瓶內膽的導熱；q3從瓶內膽到空氣的自然對流；q4從空氣到外殼的自然對流；q5瓶內膽外表面與外殼內表面之間的輻射換熱；q6通過外殼的導熱；q7從外殼到室內空氣的自然對流；q8外殼外表面與環境之間的輻射換熱。 設計優質保溫容器的指導意見：(1)采用鍍鋁(低發射率)的瓶和外殼，以降低凈輻射換熱；(2)把空氣隔層抽成真空，或用填料抑制自然對流23.“表面傳熱系數h與流體速度場無關”，判斷說法的正確性？簡述其原因。答 ：這種說法不正確。因為在描述流動的能量微分

14、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”，因此表面傳熱系數必與流體速度場有關。24對于附圖所示的兩種水平夾層，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，應采用哪一種布置？解：（1）中熱量交換的方式主要為熱傳導。（2）熱量交換的方式主要有熱傳導和自然對流。所以如果要通過實驗來測定夾層中流體的導熱系數，應采用（1）布置。25. 試從沸騰過程分析，為什么總電加熱器時當加熱功率q>qmax時易發生壁面被燒毀的現象，而采用蒸汽加熱則不會。熱線法”測氣體導熱系數控制誤差：設法維持鎢絲溫度為恒定；為減少氣體對

15、流傳熱的影響，測量應在低氣壓條件下進行答：用電加熱時，加熱方式是控制表面的熱流密度，而采用蒸汽加熱則是避免溫度可控的情形。由大容器飽和沸騰曲線可知，當加熱功率q稍超過qmax值時，工況將沿虛線跳至穩定膜態沸騰曲線，使壁面溫度飛升，導致設備燒毀。27.列車的車廂為什么要裝兩層玻璃？試從傳熱學的觀點分析其原因答：如果只裝了一層玻璃，玻璃就成了冷空氣和熱空氣的分隔物，車廂內的水蒸氣就要在玻璃窗上凝成小水珠，而且玻璃窗的裂縫即使很小，它依舊透風，冷空氣源源不斷的進來，這樣車廂內的溫度就會受到影響。28。壓縮機設備中用套管溫度計測量容器內的流體溫度為什么會產生測溫誤差？如何減小誤差？答：穩態時，套管從壓

16、縮空氣獲得的熱流量正好等于套管向筒身的導熱及輻射傳熱之和。因而，套管的壁面溫度必然低于壓縮空氣的溫度，即存在測溫誤差。減小誤差的方法：1.選用導熱系數更小的材料做套管2.盡量增加套管高度，并減小壁厚3.強化套管與流體間的換熱4.在儲氣筒外包以保溫材料30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。因而有人認為，隨著肋片高度的增加會出現一個臨界高度，超過這個高度后，肋片導熱熱數流量反而會下降。試分析這一觀點的正確性。答：錯誤，因為當肋片高度達到一定值時，通過該處截面的熱流密度為零。通過肋片的熱流已達到最大值，不會因為高度的增加而發生變化三、計算題1為什么計算個表面與外界之間的凈輻射換熱

17、量時要采用封閉腔的模型? 對于溫度已知的多表面系統，試總結求解每一表面凈輻射換熱量的基本步驟。答：（1）因為任一表面與外界的輻射換熱包括了該表面向空間各個方向發出的輻射能和從各個方向投入到該表面上的輻射能（2）畫出輻射網絡圖，寫出端點輻射力、表面熱阻和空間熱阻；寫出由中間節點方程組成的方程組；解方程組得到各點有效輻射；由端點輻射力，有效輻射和表面熱阻計算各表面凈輻射換熱量2.什么是輻射表面熱阻？什么是輻射空間熱阻？網絡法的實際作用你是怎樣認識的？答：出輻射表面特性引起的熱阻稱為輻射表面熱阻，由輻射表面形狀和空間位置引起的熱阻稱為輻射空間熱阻，網絡法的實際作用是為實際物體表面之間的輻射換熱描述了

18、清晰的物理概念和提供了簡潔的解題方法。3.三表面封閉系統，試總結每一表面凈輻射換熱量的基本步驟，并畫出三表面封閉系統的等效網絡圖。答：(1)組成封閉腔系統，并確定表面的數目(2)畫出等效的輻射網絡圖(3)計算角系數及輻射熱阻(3)根據類似于電學中的基爾霍夫定律列出節點方程(4)求解代數方程得出節點電勢(5)按下列公式確定每個表面的凈輻射換熱量。i,j=ji-jj1AiXi,j i=Ebi-ji1-iiAi4對于矩形區域內的常物性，無內熱源的導熱問題，試分析在下列四種邊界條件的組合下，導熱物體為銅或鋼時，物體中的溫度分布是否一樣：（1）四邊均為給定溫度； （2）四邊中有一個邊絕熱，其余

19、三個邊均為給定溫度；（3）四邊中有一個邊為給定熱流（不等于零），其余三個邊中至少有一個邊為給定溫度；（4）四邊中有一個邊為第三類邊界條件。解：（1）一樣，因為兩種 情況下的數學描寫中不出現材料物性值；（2）一樣，理由同上；(3)不一樣，在給定熱流的邊上，邊界條件中出現固體導熱系數； (4)不一樣，在第三類邊界條件的表達式中出現固體導熱系數5。對于強迫對流換熱現象，選用實驗關聯式計算其表面傳熱系數時的計算步驟。（1）求出物體表面溫度Tw和流體溫度Ti的算術平均值，查取流體在這個平均溫度下的物性值：比熱Cp，黏度，導熱系數，普朗特數Pr等.(2)根據物體的形狀和流體的流動形式，選定對流換熱影響最大，關系最密切的定形尺寸L和特征速度U;(3)由以上的L，u，V計算雷諾數Re；（4）根據計算的雷諾數Re值判定流體的流動狀態是層流還是紊流；（5）根據上面的判定選擇適當的努塞爾數Nu=f（Re，Pr）；并計算其值；（6）由求得的努塞爾數值反過來計算表面換熱系數h的值，h=Nu/L6。對于自然對流換熱現象，選用實驗關聯式計算其表面傳熱系數時的計算步驟。（1）求出物體表面溫度Tw和流體溫度Ti的算術平均值，查取流體在這個平均溫度下的物性值：比熱Cp，黏度，導熱系數，普