12012年傳熱學

考試復習

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傳熱學Chapter1Chapter24Chapter57Chapter89Chapter10總體簡介：基本概念、基本方式、基本方法熱傳導：穩態導熱、非穩態導熱、導熱問題數值解對流傳熱：單相、相變實驗關聯式輻射傳熱：基本概念、基本假設輻射基本定律、輻射傳熱的計算傳熱過程：傳熱過程計算、換熱器的熱計算4

主要內容傳熱學基本內容復習典型題講解5導熱一導熱的定義及特點物體各部分之間不發生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而進行的熱量傳遞現象。定義特點6二傅立葉（Fourier）導熱定律一般表達式物理含義關鍵關鍵7三導熱系數（conductivity）含義四種典型物質的導熱系數值銅(copper)鋼(steel)水(water)空氣(air)400400.60.0268四導熱微分方程三個坐標方向凈導入的熱量非穩態項內能增量內熱源9五定解條件初始條件邊界條件10六簡單一維穩態導熱的分析解如何判斷是一維問題定性分析

直接求解導熱微分方程對傅立葉導熱定律直接積分求解方法11七通過肋片的穩態導熱如何簡化成一維問題？微分方程及定解條件通過肋片的散熱量

等效熱源法熱平衡法肋片效率分析、套管溫度計測溫誤差分析12八非穩態導熱基本概念一維非穩態導熱

熱擴散率吸熱系數兩個階段集總參數法時間常數Bi數13九導熱問題的數值解法穩態問題熱平衡法建立節點離散方程的方法顯式格式和隱式格式的優缺點非穩態問題14十溫度分布變物性問題變截面問題傳熱過程15對流傳熱一什么是對流傳熱？

對流對流傳熱流體流過溫度不同的固體壁面時的熱量傳遞過程特點16牛頓冷卻公式關鍵分類典型條件下表面傳熱系數的數量級（表1-1）影響對流傳熱的因素17二單相對流傳熱基本概念

對流傳熱的控制方程流動邊界層及熱邊界層邊界層方程相似原理及其應用常用的無量綱準則數（特征數）及其物理含義18實驗關聯式

外部流動自然對流混合對流（概念性理解）三大基本量的選取適用范圍修正（為什么？）

各種流動型式的物理特點內部流動19三凝結傳熱膜狀凝結與珠狀凝結

簡化假設思路Nusselt膜狀凝結分析解關聯式橫管和豎直壁面影響凝結傳熱的主要因素及傳熱強化20四沸騰傳熱大容器飽和沸騰曲線影響沸騰傳熱的主要因素及傳熱強化臨界熱流密度及其工程指導意義21輻射傳熱一熱輻射的基本概念電磁波譜可見光、紅外線太陽輻射一般工業溫度范圍波長與溫度的關系吸收、反射、透射固體、液體氣體22黑體的概念和作用Stefan-Boltzmann定律Planck定律

Wien位移定律Lambert定律黑體輻射的基本定律23漫射表面灰體的概念基爾霍夫定律實際物體表面簡化的可行性實際物體的輻射吸收特性二輻射傳熱的計算定義性質計算角系數24投入輻射、有效輻射任意兩表面之間輻射傳熱25表面輻射熱阻和空間輻射熱阻畫網絡圖的方法表面凈輻射傳熱量和任意兩表面之間的輻射傳熱量兩種特殊情形黑體、重輻射面多表面系統輻射傳熱26遮熱板的工作原理遮熱板的應用如何進一步提高遮熱板的遮熱效果提高測溫精度7.氣體輻射特點溫室效應6.太能集熱器的應用遮熱板27換熱器28一傳熱過程的分析和計算傳熱過程什么是傳熱過程？傳熱方程式關鍵關鍵總傳熱系數傳熱過程的辨析29總傳熱系數的計算通過平壁的傳熱通過圓筒壁的傳熱通過肋壁的傳熱30傳熱表面的溫度工況強化傳熱應從熱阻最大的環節入手臨界絕緣直徑電氣工程動力保溫管道強化傳熱的突破口31換熱器的定義、型式、特點二換熱器的型式及平均溫差簡單順流和逆流的平均溫差的計算32簡單順流和逆流的定性溫度分布溫差大的地方溫度變化劇烈其它復雜流動布置的平均溫差的計算一些特殊情況33設計計算和校核計算三換熱器的熱計算所依據的方程利用平均溫差法進行換熱器的設計計算34步驟-NTU法有關概念與平均溫差法比較污垢熱阻35必要性四Wilson

圖解法思想概念性理解五隔熱保溫技術36、試分析室內暖氣片的散熱過程，各個環節有哪些熱量傳遞方式？以暖氣片管內走熱水為例。典型題講解(一)簡答題答：有以下換熱環節及傳熱方式：由熱水到暖氣片管道內壁，熱傳遞方式為強制對流換熱；由暖氣片管道內壁到外壁，熱傳遞方式為固體導熱；由暖氣片管道外壁到室內空氣，熱傳遞方式有自然對流換熱和輻射換熱。R強制對流導熱自然對流和熱輻射37、試分析冬季建筑室內空氣與室外空氣通過墻壁的換熱過程，各個環節有哪些熱量傳遞方式？答：有以下換熱環節及傳熱方式：室內空氣到墻體內壁，熱傳遞方式為自然對流換熱和輻射換熱；墻的內壁到外壁，熱傳遞方式為固體導熱；墻的外壁到室外空氣，熱傳遞方式有對流換熱和輻射換熱。、試分析利用鋁壺燒開水的過程中，各個環節有哪些熱量傳遞方式？38、利用同一冰箱儲存相同的物質時，試問結霜的冰箱耗電量大還是未結霜冰箱耗電量大？為什么？答：在其它條件相同時，冰箱的結霜相當于在冰箱的蒸發器和冰箱的冷凍室（或冷藏室）之間增加了一個附加的熱阻，因此，冷凍室（或冷藏室）要達到相同的溫度，必須要求蒸發器處于更低的溫度。所以，結霜的冰箱的耗電量要大。39、按照導熱機理，水的氣、液、固三種狀態中那種狀態的導熱系數最大？答：根據導熱機理可知，固體導熱系數大于液體導熱系數；液體導熱系數大于氣體導熱系數。所以水的氣、液、固三種狀態的導熱系數依次增大。40、由導熱微分方程可知，非穩態導熱只與熱擴散率有關，而與導熱系數無關。你認為對嗎？答：由于描述一個導熱問題的完整數學表達，不僅包括控制方程，還包括定解條件。雖然非穩態導熱控制方程只與熱擴散率有關，但邊界條件中卻有可能包括導熱系數。因此，上述觀點不正確。41、熱擴散系數是表征什么的物理量？它與導熱系數的區別是什么？答：熱擴散率，與導熱系數一樣都是物性參數，它是表征物體傳遞溫度的能力大小，亦稱為導溫系數，熱擴散率取決于導熱系數和的綜合影響；而導熱系數是反映物體的導熱能力大小的物性參數。一般情況下，穩態導熱的溫度分布取決于物體的導熱系數，但非穩態導熱的溫度分布不僅取決于物體的導熱系數，還取決于物體的導溫系數。42、一塊厚度為2δ(-δ<x<δ)

的大平板，與溫度為tf的流體處于熱平衡。當時間τ>0時，左側流體溫度升高并保持為恒定溫度2tf

。假定平板兩側表面傳熱系數相同，當時，試確定達到新的穩態時平板中心及兩側表面的溫度，畫出相應的板內及流體側溫度分布的示意性曲線，并做簡要說明。43、已知一無限大平板的導熱系數為，板兩側的溫度分別為t1和t2，試定性畫出當b>0、b=0和b<0時，穩態時平板內的溫度分布。44、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境下(表面對流換熱系數和流體溫度均相同)，沿肋高方向的溫度分布如圖所示。試問：兩種肋片的導熱系數大小？肋效率的高低？肋端45、兩種幾何尺寸完全相同的等截面直肋，材料相同，放在不同溫度的對流環境中，沿肋高方向的溫度分布如圖所示。試問：哪種情況流體的對流換熱系數大？肋效率的高低？肋端46、試由常物性、一維、穩態、有內熱源的導熱微分方程出發，導出有均勻內熱源的一維等截面直肋的導熱微分方程。已知肋片截面積為Ac，周長為P，材料導熱系數為λ，環境溫度為tf，肋表面和環境的表面傳熱系數為h，肋片中的內熱源為Φ。47、集總參數法的適用條件是什么？滿足集總參數法的物體，其內部溫度分布有何特點？答：集總參數法的適用條件是Biv<0.1，其特點是當物體內部導熱熱阻遠小于外部對流換熱熱阻時，物體內部在同一時刻均處于同一溫度，物體內部的溫度僅是時間的函數，而與位置無關。48、寫出時間常數的表達式，時間常數是從什么導熱問題中定義出來的？它與哪些因素有關？答：時間常數的表達式為，是從非穩態導熱問題中定義出來的，它不僅取決于幾何參數和物性參數，還取決于換熱條件h。49、一直徑為d的圓球，一邊長為d的正方形及一個高度和直徑均為d的圓柱，用同種材料制成且具有相同的初溫，在同一初始時間被置于相同的外部環境中進行冷卻（h相同），試定性分析這三個物體被冷卻到相同溫度所需時間長短。（三物體內部導熱熱阻可忽略）。50、對于一有限大物體在第三類邊界條件下發生的非穩態導熱過程，試分別就Bi1、Bi1以及Bi～1時畫出物體兩側及內部的溫度分布曲線，并說明溫度分布差異主要發生在導熱物體內部還是外部？為什么？51、用熱電偶監測氣流溫度隨時間變化規律時，應如何選擇熱電偶節點的大小？定義知，，r為節點的半徑，顯然，節點半徑越小，時間常數越小，熱電偶的相應速度越快。答：在其它條件相同時，熱電偶節點越大，它的溫度變化一定幅度所需要吸收（或放出）的熱量越多，此時雖然節點換熱表面積也有所增大，但其增大的幅度小于體積增大的幅度。故綜合地講，節點大的熱電偶在相同的時間內吸收熱量所產生的溫升要小一些。由52、圖1示出了常物性、有均勻內熱源

、二維穩態導熱問題局部邊界區域的網格配置，試用熱平衡法建立節點0的有限差分方程式（設）。圖153、圖1示出了常物性、有內熱源的二維穩態導熱問題局部邊界區域的網格劃分，上邊界為對流換熱條件，右側邊界已知熱流密度q。試用熱平衡法建立節點0的數值離散方程式（不需要整理）。q圖１54、何謂非穩態導熱的正規階段？寫出其主要特點。答：物體在加熱或冷卻過程中，物體內各處溫度分布隨時間的變化具有一定的規律，物體初始條件對溫度分布的影響逐漸消失，這個階段稱為非穩態導熱的正規階段。55、分別寫出Nu、Re、Pr、Bi、Fo數的表達式，并說明其物理意義。（2）雷諾(Reynolds)數，，它表示慣性力和粘性力的相對大小。（3）普朗特數，，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，，它表示導熱體內部熱阻與外部熱阻的相對大小。答：（1）努塞爾(Nusselt)數，，它表示表面上無量綱溫度梯度的大小。（5）傅立葉數，，它表示非穩態導熱過程的無量綱時間。56、影響強制對流換熱的表面換熱系數的因素有哪些？答：影響強制對流換熱的表面換熱系數的因素有流動起因、有無相變、流動型態、流體的物性、換熱表面的幾何因素等，用函數表示為

對于無相變的單相管內強制對流，影響強制對流換熱的表面換熱系數的因素有流動起因、有無相變、流動型態、流體的物性、換熱表面的幾何因素等，用函數表示為57、邊界層理論？什么叫流動邊界層和熱邊界層？（1）流場分為主流區和邊界層區。只有在邊界層區才考慮粘性的影響，需用粘性流體的微分方程描述。在主流區，流體視為理想流體，用貝努利程描述；（2）邊界層內厚度δ<<壁面尺寸l，δ=δ

(x)；（3）在邊界層內，流動狀態分為層流、過渡流和紊流；紊流邊界層內緊貼壁面處仍有極薄層保持層流狀態，稱為層流底層。58、強制對流和自然對流各有那幾種流態？判別的準則各是什么，給出具體的表達式？59、流體流過一個管壁被均勻加熱的圓管。假設管足夠長，流動和換熱能夠能發展到旺盛湍流。試定性畫出流體與圓管換熱的局部對流換熱系數沿管長的變化曲線，并簡述理由。60、氣體的熱邊界層與流動邊界層的相對大小？答：由于，對于氣體來說，所以氣體的熱邊界層的厚度大于流動邊界層的厚度。61、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有什么不同之處？答：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都可以用下式表示但是，前者的導熱系數為流體的導熱系數，而且表面傳熱系數h是未知的；后者的導熱系數為固體的導熱系數，而且表面傳熱系數h是已知的。62、由對流換微分方程可知，該式中沒有出現流速，有人因此認為表面傳熱系數與流體速度場無關。你認為對嗎？答：這種說法不正確，因為在描述流動的能量方程中，對流項含有流體速度，要獲得流體的溫度場，必須先獲得流體的速度場，在對流換熱中流動與換熱是密不可分的。因此，對流換熱的表面傳熱系數與流體速度有關。63、其它條件相同時，同一根管子橫向沖刷與縱向沖刷相比，哪個的表面換熱系數大？為什么？答：同一根管子橫向沖刷比縱向沖刷相比的表面換熱系數大。因為縱向沖刷時相當于外掠平板的流動，熱邊界層較厚，熱阻較大；而橫向沖刷時熱邊界層較薄且在邊界層由于分離而產生的旋渦，增加了流體擾動，因而換熱增強。64、試畫出豎壁大空間自然對流（tw<tf）邊界層內速度和溫度分布曲線并簡述特點。utxou,t65、什么是雷諾比擬（寫出表達式）？它的應用條件是什么？答：雷諾比擬：，條件：Pr=1。66、判定兩個物理現象相似的條件是什么？答：物理現象相似的條件是：（1）同名的已定特征數相等（2）單值性條件相似67、下列三種關聯式描述的是那種對流換熱？，，答：描述的是無相變的強迫對流換熱，且自然對流不可忽略；描述的是自然對流可忽略的無相變的強迫對流換熱；描述的是自然對流換熱。68、蒸汽與溫度低于飽和溫度的壁面接觸時，有哪兩種凝結方式？產生的原因是什么？69、空氣橫掠垂直管束時，沿流動方向管排數越多，換熱越強，而蒸汽在水平管束外凝結時，沿液膜流動方向管排數越多，換熱強度降低，為什么？答：空氣橫掠垂直管束時，沿流動方向管排數越多，氣流擾動越強，換熱越強，而蒸汽在水平管束外凝結時，沿液膜流動方向管排數越多，凝結液膜越厚，凝結換熱熱阻越大，換熱強度降低。70答：橫管和豎壁的平均表面傳熱系數的計算中，特征尺度橫管采用直徑d，豎壁采用壁長l。在其他條件相同時，橫管與豎管的對流換熱系數之比：當l/d50時，，所以冷凝器通常都采用橫管的布置方案為什么冷凝器通常都采用橫管的布置方案？71、豎壁傾斜后其凝結換熱表面傳熱系數是增加還是減小？為什么？答：豎壁傾斜后，使液膜順壁面流動的力不再是重力而是重力的一部分，液膜流動變慢，從而熱阻增加，表面傳熱系數減小。另外，根據表面傳熱系數公式公式中的亦要換成，從而h減小。72、為什么珠狀凝結表面換熱系數比膜狀凝結表面換熱系數大？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。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，此時蒸汽僅與部分壁面表面直接接觸，因此，換熱速率遠大于膜狀凝結換熱。73、不凝結氣體對表面凝結換熱強弱有何影響？答：不凝結氣體的存在，一方面使凝結表面附近蒸汽的分壓力降低，從而蒸汽飽和溫度降低，使得傳熱驅動力即溫差減小；另一方面，凝結蒸汽穿過不凝結氣體層到達壁面依靠的是擴散，從而增加了阻力。因此，上述兩方面原因導致凝結換熱時的表面傳熱系數降低。74、請示出大容器飽和沸騰曲線，并對各區域的換熱特性進行說明。75答：在核態沸騰階段時，隨著壁面過熱度（液體溫度與壁面溫度之差t

）的進一步增大，壁面上的汽泡不斷生成、長大，隨后引因浮力作用而離開表面，由于氣泡的大量迅速生成和它的劇烈運動，換熱強度劇增，熱流密度隨t

的提高而急劇增大，直到達到熱流密度的峰值，此時的熱流密度稱為臨界熱流密度。當t進一步增大時，熱流密度又開始下降。、沸騰換熱的臨界熱流密度的含義是什么？76、為什么用電加熱時容易發生電熱管壁被燒毀的現象？而采用蒸汽加熱時則不會？答：用電加熱時，加熱方式屬于表面熱流密度可控制的，而采用蒸汽加熱時則屬于壁面溫度可控制的情形。由大容器飽和沸騰曲線可知，當熱流密度一旦超過臨界熱流密度時，工況就有可能很快跳至穩定的膜態沸騰，使得表面溫度快速上升，當超過壁面的燒毀溫度時，就會導致設備的燒毀；采用蒸汽加熱由于壁面溫度可控制，就容易控制壁面的溫升，避免設備壁面溫度過度升高，使其溫度始終低于設備的燒毀溫度。77

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、如圖所示的墻壁，其導熱系數為50W/(m·K),厚度為50mm，在穩態情況下的墻壁內的一維溫度分布為：t=200-2000x2，式中t的單位為0C，x單位為m。試求：(1)墻壁兩側表面的熱流密度；(2)墻壁內單位體積的內熱源生成的熱量。典型題講解(二)計算題78解：(1)由傅立葉定律：

所以墻壁兩側的熱流密度：

(2)由導熱微分方程得：79、一根直徑為1mm的銅導線，每米的電阻為。導線外包有厚度為0.5mm，導熱系數為0.15W/(m·K)的絕緣層。限定絕緣層的最高溫度為650℃，絕緣層的外表面溫度受環境影響，假設為400℃。試確定該導線的最大允許電流為多少？80解：以長度為L的導線為例，導線通電后生成的熱量,其中的一部分熱量用于導線的升溫,一部分熱量通過絕熱層的導熱傳到大氣中。根據能量守恒定律知：

當導線達到最高溫度時，導線處于穩態導熱，81、外徑為50mm的蒸汽管道，外表面溫度為400℃，管外包有二層保溫材料，內層為厚40mm的礦渣棉（λ=0.15W/(m·℃)），外層為厚45mm的煤灰泡沫磚（λ=0.13W/(m·℃)），外層保溫材料外表面溫度為50℃，試求每米蒸汽管道的散熱量及二層保溫材料交界面處的溫度。82、25℃的熱電偶被置于溫度為250℃的氣流中，設熱電偶節點可以近似看成球形，要使其時間常數τc=1s，問熱節點的直徑為多大？忽略熱電偶引線的影響，且熱節點與氣流間的表面傳熱系數為h=300W/(m2K)，熱節點材料的物性參數為：導熱系數為20W/(m·K)，，。如果氣流與熱節點間存在著輻射換熱，且保持熱電偶時間常數不變，則對所需熱節點直徑大小有和影響？83知，要保持不變，可以使增加，即熱節點的直徑增加。解：故熱電偶直徑：驗證畢渥數Bi是否滿足集總參數法：(2)若熱節點與氣流間存在輻射換熱，則總的表面傳熱系數h（包括對流和輻射）將增加，由滿足集總參數法條件。(1)84、質量為M、比熱為c、表面面積為A的小型導電體，初溫等于環境溫度Ta，通電加熱后溫度逐漸升高，最終達到平衡溫度Tb,

試證：

并說明的意義（，其中h是導電體與環境的對流換熱系數）。85解：根據能量守恒原理，有當再次達到熱平衡時，導電體溫度為Tb，dT/dτ=0，則則：引入過余溫度則：解之：因為而所以865-13．（課本）來流溫度為20℃、速度為2.5m/s空氣沿著平板流動，在距離前沿點為2m處的局部切應力為多大？如果平板溫度為50℃，該處的對流傳熱表面傳熱系數是多少？利用tf=20℃查物性Re值一樣嗎？87、空氣以10m/s速度外掠0.8m長的平板，,,計算該平板在臨界雷諾數