《傳熱學》習題課（對流換熱部分）課件制作：尹華杰《傳熱學》習題課（對流換熱部分）課件制作：尹華杰第五章對流換熱—復習題1.試用簡明的語言說明熱邊界層的概念。

答：在對流換熱情況下，在固體附近存在一薄流體層，在該層中流體溫度沿垂直壁面方向從壁面處的溫度等于壁溫，急劇變化到流體主流溫度，而在流體主流區的溫度變化率可視為零。第五章對流換熱—復習題1.試用簡明的語言說明熱邊界層第五章對流換熱—復習題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：完全二維穩態無內熱源情況下的能量方

程：；邊界層能量方程：。邊界層能量方

程的重要特點是：沒有項。第五章對流換熱—復習題2.與完全的能量方程相比，邊界第五章對流換熱—復習題3.式（5-4）與導熱問題和第三類邊界條件式（2-17）有什么區別？

答：式（5-4），式（2-17）為：。兩者的區別是：兩式中的導熱

系數不同，（5-4）式中的導熱系數是流體的，而（2-17）式的導熱系數是固體壁的；兩者的溫度梯度不同，（5-4）式中是流體邊界層在壁面處的溫度梯度，而（2-17）式中的溫度梯度是固體在與流體接觸壁面處的溫度梯度。式（5-4）中的h未知，（2-17）式中的h已知。其它參數兩者相同。第五章對流換熱—復習題3.式（5-4）與導熱問題和第第五章對流換熱—復習題4.式（5-4）表明，在邊界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：流體的流動作用為：①保持邊界層的厚度，因為邊界層的產生是由于流體粘性而產生的，流體的流動速度是決定邊界層的厚度的主要因素之一；②把經邊界層以導熱形式交換的熱量，通過流體流動傳出或傳入流動的流體，實現對流換熱。第五章對流換熱—復習題4.式（5-4）表明，在邊界上第五章對流換熱—復習題5.對流換熱問題完整的數學描寫應包括什么內容？既然對大多數實際對流換熱問題尚無法求得其精確解，那么建立對流換熱問題的數學描寫有什么意義？

答：應包括：質量守恒方程式，即連續性方程；動量守恒方程式，即納維—斯托克斯方程；能量守恒方程式。

第五章對流換熱—復習題5.對流換熱問題完整的數學描寫第五章對流換熱—復習題對流換熱問題的數學描寫的意義為：①從分析求解方面，可以根據實際對流換熱過程，數學公式中各參數及其導數的量級大小分析，簡化方程，求得符合實際傳熱問題的近似解；②從數學公式中，可看出動量方程與能量方程存在類似形式，可利用比擬方法，建立兩者關系，利用阻力系數相對容易求解或容易測定，求解傳熱關系式；③從實驗回歸表面傳熱系數方面，通過控制方程和定解條件，運用相似原理及量綱分析，指導實驗設計和數據回歸。第五章對流換熱—復習題對流換熱問題的數學描寫的意義為：①第五章對流換熱—習題5-1．對于流體外掠平板的流動，試利用數量級分析的方法，從動量方程引出厚度的如下變化關系式：

解：在流動邊界層中，y、v的量級是邊界層厚度δ級，u、x的量級較大。在體積力和介質壓力可忽略的情況下，穩態、二維、無內熱源的動量方程為：第五章對流換熱—習題5-1．對于流體外掠平板的流動，試利第五章對流換熱—習題等號左端第一項比第二項大很多，忽略第二項；等號右端括號內第一項比第二項小很多，忽略第一項，面ν對常見流體是δ2量級。第五章對流換熱—習題等號左端第一項比第二項大很多，忽略第第五章對流換熱—習題5-2．對于油、空氣及液態金屬。分別有Pr＞＞1、Pr≈1、Pr＜＜1。試就外掠等溫平板的層流邊界層流動，畫出三種流體邊界層中速度分布與溫度分布的大致圖像（要能顯示出δ與δt的相對大小）

解：20℃的液態金屬水銀：ν=11.4×10-8m2/s，Pr=2.72×10-2第五章對流換熱—習題5-2．對于油、空氣及液態金屬。分別第五章對流換熱—習題20℃的空氣：ν=15.06×10-6m2/s，Pr=0.703第五章對流換熱—習題20℃的空氣：ν=15.06×10-第五章對流換熱—習題解：20℃的14#潤滑油：ν=410.9×10-6m2/s，Pr=4846第五章對流換熱—習題解：20℃的14#潤滑油：ν=410第五章對流換熱—習題5-3．流體在兩平行平板間作層流充分發展的對流傳熱（見附圖）。試畫出下列三種情形下充分發展區域截面上的流體溫度分布曲線：

(1)qw1=qw2；

(2)qw1=2qw2；

(3)qw1=0。

解：(1)qw1=qw2時，熱邊界

層相同，流體溫度為拋物

線分布qw2qw1qw2qw1第五章對流換熱—習題5-3．流體在兩平行平板間作層流充分第五章對流換熱—習題(2)qw1=2qw2時，qw1側熱流量

大，流體溫度被加熱的溫

度高，溫度梯度大，形成

的邊界層薄，qw2側熱流量

小，流體溫度被加熱的溫

度低，溫度梯度小，形成

的邊界層厚

(3)qw1=0時，qw1側的熱流量

為0，溫度梯度為0，qw2側

熱流量一定，溫度分布與

正常相同，為拋物線分布qw2qw1=2qw2qw2qw1=0第五章對流換熱—習題(2)qw1=2qw2時，qw1側第五章對流換熱—習題5-4．設某一電子器件的外殼可以簡化成附圖所示的形狀，截面呈正方形，上、下表面絕熱，而兩側豎壁分別維持在th及tc（th>tc）。試定性地畫出空腔截面上空氣流動的圖像。

解：th及tc使近壁介質產生密度差，上下壁面絕熱，無熱量傳遞，高溫側上升的氣體的流速和溫度高于低溫側上升的氣體的流速和溫度。從而形成如圖所示的環流。thtc絕熱第五章對流換熱—習題5-4．設某一電子器件的外殼可以簡化《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件第五章對流換熱—習題5-7．溫度為80℃的平板置于來流溫度為20℃的氣流中。假設平板表面中某點在垂直于壁面方向的溫度梯度為40℃/mm，試確定該處的熱流密度。

解：氣體的定性溫度為：℃

由于一般氣體的導熱系數與空氣的非常接近，采用空氣的導熱系數：查附錄5得，50℃時：λ=0.0283W/m·K

第五章對流換熱—習題5-7．溫度為80℃的平板置于來流溫第五章對流換熱—習題5-8．取外掠平板邊界層的流動由層流轉變為湍流的臨界雷諾數（Rec）5×105，試計算25℃的空氣、水及14號潤滑油達到Rec數時所需的平板長度，取u∞=1m/s。

解：

查附錄8和10，25℃時：第五章對流換熱—習題5-8．取外掠平板邊界層的流動由層流《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件第五章對流換熱—習題5-23．對置于氣流中的一塊很粗糙的表面進行傳熱試驗，測得如下的局部換熱特征性的結果：

其中特征長度x為計算點離開平板前緣的距離。試計算當氣流溫度t∞=27℃、流速u∞=50m/s時離開平板前緣x=1.2m處的切應力。平壁溫度tw=73℃。解：由比擬理論，湍流時：第五章對流換熱—習題5-23．對置于氣流中的一塊很粗糙的《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件第五章對流換熱—習題5-10．兩無限大平板之間的流體，由于上板運動而引起的層流粘性流動，文獻中常稱庫埃特流。若不計流體中由于粘性而引起的機械能的轉換。試求解流體的速度與溫度分布。上板溫度為tw2，下板溫度為tw1。

Hyxtw2u(y)t(y)tw1uH第五章對流換熱—習題5-10．兩無限大平板之間的流體，由第五章對流換熱—習題解：由于為兩無限大板間的流動，流速場與溫度場與x、z坐標無關，在穩態情況下，僅是y坐標的函數，傳熱學基本方程：第五章對流換熱—習題解：由于為兩無限大板間的流動，流速場第五章對流換熱—習題在層流粘性流動條件下，y向速度v=0，x向速度u是y的函數，溫度t是y的函數，傳熱學基本方程成為：

邊界條件為：第五章對流換熱—習題在層流粘性流動條件下，y向速度v=0第五章對流換熱—習題速度和溫度分布由于兩板無限大，穩態情況下壓力沿x方向的變化率為常數，積分簡化動量方程可得：

代入上下面的速度邊界條件得：第五章對流換熱—習題速度和溫度分布第五章對流換熱—習題速度和溫度分布積分簡化能量方程可得：

代入上下面的溫度邊界條件得：第五章對流換熱—習題速度和溫度分布第五章對流換熱—習題5-14實驗測得一置于水中的平板某點的切應力為1.5Pa，如果水溫與平板溫度分別為15℃與60℃，試計算當地的局部熱流密度。解：定性溫度為：

采用線性插值，查附錄9得第五章對流換熱—習題5-14實驗測得一置于水中的平板第五章對流換熱—習題切應力與Re數的關系

局部換熱系數

局部熱流密度第五章對流換熱—習題切應力與Re數的關系

第五章對流換熱—習題5-21夏天，常常將飲料容器置于冰水中來冷卻飲料。為了加速冷卻，有人提出了這樣一個專利：將飲料殼體（例如易拉罐）繞其軸線在冰水中做轉動。如果能實現飲料瓶或易拉罐繞其軸線的純轉動，試從對流傳熱基本方程出發，分析這樣的方法能否加速飲料的冷卻？第五章對流換熱—習題5-21夏天，常常將飲料容器置于第五章對流換熱—習題答：能加速飲料的冷卻。

因為易拉罐中的飲料一般不灌滿，當易拉罐水平放置時，上部有一氣體空間。易拉罐轉動起來后，由于飲料的粘性使飲料與罐體壁一起轉動，飲料沿圓周方向發生層間相對運動，其運動速度大于靜止時，使Re數增大，邊界層減薄，表面傳熱系數增大，傳熱量加大，加速飲料的冷卻第五章對流換熱—習題答：能加速飲料的冷卻。

因為易拉罐中第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題1.什么叫做兩個同類的物理現象相似？相似的物理現象有什么共性？怎樣才能做到兩個物理現象相似？

答：如果兩個同類的物理現象，在相應時刻與相應地點上與現象有關的物理量一一對應成比例，則稱此兩物理現象彼此相似。

共性：同名相似特征數相等，單值性條件相似。

在兩個同類物理現象的初始條件、邊界條件、幾何條件和物理條件相似時，可做到兩個物理現象相似。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題1.什么叫做兩第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題2.試舉出工程技術中相似原理應用的兩個例子。

答：泵、風機和壓縮機的流體過程非常復雜，在泵、風機和壓縮機的設計時常采用相似原理來進行實驗和設計。

換熱設備的設計也常采用相似原理進行實驗和設計。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題2.試舉出工程技術第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題3.當一個由若干個有量綱的物理量所組成的實驗數據換成數目較少的無量綱量后，這個實驗數據的性質與地位起了什么變化？

答：可以極大地減少實驗次數，并且根據相似原理，個別試驗所得出的結果已上升到代表整個相似組的地位，所得結果具有一定的通用性。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題3.當一個由若第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題4-1.什么是內部流動？什么是外部流動？

答：內部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層可能受到鄰近壁面存在的限制，流體被約束在周邊封閉的壁面內的流動。

外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層自由發展，不會受到鄰近壁面存在的限制的流動。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題4-1.什么是第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題4-1.對流動現象而言，外掠單管的流動與管道內的流動有什么不同？

答：管道內的流動具有流動邊界層特征。外掠單管的流動除具有邊界層特征外，還要發生繞流脫體、產生回流、旋渦和渦束。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題4-1.對流動第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題4-3.外掠單管與管內流動這兩個流動現象在本質上有什么不同？

答：外掠單管換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自由發展，而管道內流動邊界層與熱邊界層受到通道壁面存在的限制。外部流動中存在著一個邊界層外的區域，無論是速度梯度還是溫度梯度都可以忽略第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題4-3.外掠單管第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題5.外掠管束的平均表面傳熱系數只有當流動方向管排數大于一定數值后才與管排數無關，試分析其原因。

答：流體外掠管排時在管排的前幾排流體從均勻流開始，流經每排后流動狀態被從新分布，流體的湍動程度增高，由于流量和流動空間一定，流經幾排后，湍動程度逐漸被穩定下來，使管束的平均表面傳熱系數與管排數表現為無關性。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題5.外掠管束的平第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題6-1.說明充分發展管內對流傳熱這一概念的含義。

答：充分發展管內流動是指管內的流體狀態不再發生變化，這時的邊界層基本穩定，換熱強度保持不變。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題6-1.說明充第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題6-2.試說明管槽內對流換熱的入口效應并簡釋其原因。

答：入口效應：流體從大空間進入管槽時，流體邊界層厚度從零開始增長，靠近管槽中心的流動狀態也逐漸從均勻狀態向最終的層流或湍流狀態發展。從進口的均勻狀態到最終的層流或湍流狀態之間的區域稱為入口段。

入口段的熱邊界層較薄，局部表面傳熱系數比充分發展段高，隨著邊界層增厚，表面傳熱系數沿主流方向逐漸降低。如果邊界層中出現湍流，則因湍流的擾動與混合作用，又會使局部表面傳熱系數有所提高，再趨向一個定值。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題6-2.試說明第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題7.說明大空間自然對流換熱與有限空間自然對流換熱的區別，這與強制對流中的外部流動及內部流動有什么異同？

答：在空間自然對流換熱：流體的冷卻過程與加熱過程互不影響的自然對流換熱。

有限空間自然對流換熱：流體的加熱與冷卻過程相互影響的自然對流換熱。

區別就是加熱與冷卻過程是否相互影響。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題7.說明大空間第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題不同點有：流動狀態不同，大空間自然對流和有限空間自然對流是自然對流；而強制對流的外部流動及內部流動是強制對流。大空間自然對流的邊界層不受干擾，而強制對流外部流動的邊界層受主流體流動的干擾。有限空間自然對流的邊界層受到干擾程度比管內強制對流邊界層受到干擾的程度小。

相同點有：大空間自然對流的邊界層和強制對流外部流動的邊界層，都不會受到鄰近壁面存在的限制。有限空間自然對流和內部流動強制對流的傳熱均受到鄰近壁面的限制。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題不同點有：流動狀態第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題8.簡述射流沖擊傳熱時被沖擊表面上局部表面傳熱系數的分布規律。

答：當噴嘴表面離開被沖擊物體的相對距離H/D比較大時，局部表面傳熱系數從滯止點的最高值向四周單調地下降，隨r的增加，下降趨勢逐漸減緩，在同一r/D下，局部表面傳熱系數隨ReD的升高而升高。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題8.簡述射流沖擊第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題當H/D減少到1左右時，第二個峰值處的局部表面傳熱系數在ReD較高時已經與滯止點處的值接近。射流離開噴嘴后由于氣流的卷吸作用而使流動中的湍流度急劇增加，同時氣流到達壁面時，氣流與壁面間的劇烈沖擊作用也會使氣流中的振動增加。這些因素綜合作用的結果，導致在一定條件下局部表面傳熱系數的分布出現第二個峰值第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題當H/D減少到1左第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題當H/D減少到5左右時，隨著ReD的增加，局部表面傳熱系數的分布開始出現第二個峰值，這一趨勢隨著ReD的升高而日益明顯第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題當H/D減少到5左第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題9.簡述Nu數、Pr數及Gr數的物理意義，Nu數與Bi數有什么區別？

答：Nu數的物理意義：壁面上流體的無量綱溫度梯度（注意λ為流體的導熱系數）；Pr數的物理意義：動量擴散厚度與熱量擴散厚度之比的一種度量；Gr數是浮升力/粘性力比值的一種度量。

Nu數與Bi數的區別在于導熱系數λ的不同，Nu數的λ為流體的導熱系數，Bi數的λ為固體的導熱系數。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題9.簡述Nu數第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題10.對于新遇到一種對流換熱現象，在從參考資料中去尋找換熱的特征方程時要注意什么？

答：首先根據對流換熱現象的特點，確定是強制對流換熱，還是自然對流換熱，或者兩者的混合換熱問題。

對強制對流換熱：。

對自然對流換熱：。

對混合換熱：。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題10.對于新遇第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題11.如果把一塊溫度低于環境溫度的大平板豎直地置于空氣中，試畫出平板上流體流動及局部表面傳熱系數分布的圖象。

答：隨著時間延長靠近平板的空氣溫度下降，密度逐漸增加，向下流動，在流動過程中傳熱繼續進行，形成上薄下厚邊界層，如果壁面足夠高，下部可能形成湍流流動，如圖所示。當邊界層薄時表面傳熱系數大，邊界層厚時表面傳熱系數小，局部表面傳熱系數分布如圖所示。

h冷空氣層xo平板15題圖第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題11.如果把一第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題12.對于采用單個射流來冷卻或加熱物體表面的情形,是否噴嘴出口到物體表面間的距離越近越好？

答：不是。當噴嘴離物體表面過分近時，使噴嘴噴出的流體向平行于板面背離噴嘴中心方向流出時，由于流通面積很小，流速很高，壁面約束作用，使流體產生旋渦分離，向垂直壁面方向運動第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題12.對于采用第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題的部分大量增加，形成濺射，這部分流體可能形成珠狀體與空氣換熱從而損失熱量，使傳熱效果變差。當距離不是過近時，流體不形成濺射，熱損失大量降低，傳熱效果是隨噴嘴距物體表面的距離減小，而傳熱效果越好。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題的部分大量增加，形第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題13.與已學習過的其他形式強制對流換熱方式相比，射流沖擊換熱的復雜性表現在什么地方？

答：復雜性表現在：（1）流體自噴嘴射出后，由于速度很高與周圍靜止流體產生剪切，生成旋渦，卷吸周圍流體；（2）高速流體垂直撞擊物體表面，使流體流動方向發生急劇改變，而流體的上表面自由無約束，流體的流速場和溫度場分布復雜。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—復習題13.與已學習第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-5.有人曾經給出下列流體外掠正方形柱體（其一個面與來流方向垂直）的換熱數據：

NuRePr4150002.2125200003.9117410000.7202900000.7

采用Nu=CRenPrm的關系式來整理數據并取m=1/3，試確定其中的常數C與指數n。在上述Re及Pr的范圍內，當方形柱體的截面對角線與來流方向平行時，可否用此式進行計算，為什么？第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-5.有人曾經第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題解：方程可寫成：第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題解：方程可寫成：《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題不能用此式計算方形柱體的截面對角線與來流方向平行時的情況。理由是這種情況與實驗換熱情況的定解條件不相似。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題不能用此式計算方形柱第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-8．一常物性的流體同時流過溫度與之不同的兩根直管1與2，且d1=2d2。流動與換熱均已處于湍動充分發展區域。試確定在下列兩種情形下兩管內平均表面傳熱系統的相對大小：（1）流體以同樣的流速流過兩管；（2）流體以同樣的質量流量流過兩管。解：因常物性，Prf不變：第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-8．一常物性的流《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-24．一塊400mm的平板，平均壁溫為40℃。常壓下20℃的空氣以10m/s的速度縱向流過該板表面。試計算離平板前緣50mm、100mm、200mm、300mm、400mm處的熱邊界層厚度、局部表面傳熱系數及平均表面傳熱系數。解：首先計算定性溫度，然后查附錄8，得到空氣在定性溫度時的物性：第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-24．一塊400《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-28為保證微處理機的正常工作，采用一個小風機將氣流平行地吹過集成電路塊表面，如題圖所示。試分析：

（1）如果每個集成電路塊的散熱量相同，在氣流方向上不同編號的集成電路塊的表面溫度是否一樣，為什么？對溫度要求較高的組件應當放在什么位置上？

（2）哪些無量綱量影響對流換熱？HlS4123第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-28為保證微第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題解：1.不一樣。因為在氣流方向上，前面的集成電路塊散熱至氣流中，使氣流溫度逐步升高。在氣流方向上，后面的集成電路塊與氣體的傳熱推動力下降，沿氣流方向集成電路塊的表面溫度逐步升高。

對溫度要求較高的組件應當放在近氣流進口的位置上。2.Nu、Re、Pr、Gr第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題解：1.不一樣。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-32直徑為10mm的電加熱圓柱置于氣流中冷卻，在Re=4000時每米長圓柱通過對流傳熱散失的熱量為69W。若把圓柱直徑改為20mm，其余條件不變（包括tw），問每米圓柱的散熱量為多少？

解：

查表6-5，Re=4000時指數n=0.466；Re=8000時指數n=0.618第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-32直徑為1第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題圓柱直徑為20mm，每米圓柱的散熱量為第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題圓柱直徑為20mm，第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-36.某鍋爐廠生產的220t/h高壓鍋爐，其低溫段空氣預熱器的設計參數為：叉排布置，s1=76mm，s2=44mm，管子為φ40mm×1.5mm；平均溫度為150℃的空氣橫向沖刷管束，流動方向的總排數為44。在管排中心線截面上的空氣流速（即最小截面上的流速）為6.03m/s。試確定管束與空氣間的平均傳熱系數。管壁平均溫度為185℃。解：首先計算定性溫度，然后查附錄8，得到空氣在定性溫度時的物性：第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-36.某鍋爐《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-40．將水平圓柱體外自然對流換熱的準則式改寫成為以下的方便形式：。其中系數C取決于流體種類及溫度。對于空氣及水，試分別計算tm=40℃、60℃、80℃的三種情形時上式中的系數C之值。解：空氣在各計算溫度下的物性數據：第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-40．將水平圓柱第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題水在各計算溫度下的物性數據：第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題水在各計算溫度下的物第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題由（5-79）式，由表5-12，對橫圓柱，n=1/4時，C1=0.48第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題由（5-79）式第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-52一水平封閉夾層，其上、下表面的間距δ=14mm，夾層內是壓力為1.013×105Pa的空氣。設一個表面的溫度為90℃，另一表面為了30℃，試計算當熱表面在冷表面之上及在冷表面之下兩種情形下，通過單位面積夾層的傳熱量。第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-52一水平封第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題解：a.當熱表面在冷表面之下時，問題屬水平空氣夾層自然對流換熱問題：第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題解：a.當熱表面在第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題解：b.當熱表面在冷表面之上時，問題屬水平空氣夾層的導熱問題：第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題解：b.當熱表面在第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-58溫度為20℃的空氣從直徑d=10mm的噴嘴以20m/s的速度射出，垂直地沖擊tw=100℃的平板上。環境溫度t∞=20℃。試對l/d=2、3、4、5、6五種情形，計算在r/d=2.5～7.5范圍內的平均Nu數，由此可以得出什么結論？解：定性溫度：60℃，Pr=0.696,ν=18.97×10-6m2/s，λ=0.029W/m·K第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題6-58溫度為2第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題平均Nu數第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題平均Nu數《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題結論隨著離噴射中心的距離越遠，表面換熱系數越小；噴射口距平板越近，表面換熱系數越大第六章單相對流傳熱的實驗關聯式—習題結論第七章凝結與沸騰換熱—復習題1.什么叫膜狀凝結，什么叫珠狀凝結？膜狀凝結時熱量傳遞過程的主要阻力在什么地方？

答：膜狀凝結：凝結液體能很好地潤濕壁面，它在壁面上鋪成膜的凝結形式。

珠狀凝結：凝結液體不能很好地潤濕壁面，它在壁面上形成一個個的小液珠的凝結形式。

膜狀凝結時熱量傳遞過程的主要阻力在液膜層。第七章凝結與沸騰換熱—復習題1.什么叫膜狀凝結，什么第七章凝結與沸騰換熱—復習題2.在努塞爾關于膜狀凝結理論分析的8條假定中，最主要的簡化假定是哪兩條？

答：最主要兩條假定是：①液膜的慣性力可以忽略；②膜內溫度分布是線性的，即認為液膜內的熱量轉移只有導熱，而無對流作用。

上面的第①個假定使動量方程的項

可忽略；第②個假定使能量方程的

項可忽略。從而使邊界動量和能量方程成為常微分方程。第七章凝結與沸騰換熱—復習題2.在努塞爾關于膜狀凝結第七章凝結與沸騰換熱—復習題3.有人說，在其他條件不變的情況下，水平管外的凝結換熱一定比豎直管強烈，這一說法一定成立嗎？

答：不一定。由水平管的表面傳熱系數與豎直壁表面傳熱系數的比值式：可

得到當(l/d)=2.8447時，(hH/hV)=1。當(l/d)<2.8447時，水平管的凝結換熱就低于豎直管的換熱。第七章凝結與沸騰換熱—復習題3.有人說，在其他條件不第七章凝結與沸騰換熱—復習題4.為什么水平管外凝結換熱只介紹層流的準則式？常壓下的水蒸氣在℃的水平管外凝結，如果要使液膜中出現湍流，試近似地估計一下水平管的直徑要多大？

答：因為橫管直徑較小，實踐上均在層流范圍，這可從下面的計算看出。

第七章凝結與沸騰換熱—復習題4.為什么水平管外凝結換第七章凝結與沸騰換熱—復習題第七章凝結與沸騰換熱—復習題第七章凝結與沸騰換熱—復習題常壓下查出物性常數：

ts=100℃，tw=110℃，tm=(tw+ts)/2=105℃，

ρ=(958.4+950.9)/2=954.65kg/m3，

λ=(0.683+0.685)/2=0.684W/m·K，

η=(282.5+259)×10-6/2=270.75×10-6kg/m·s，

r=(2256.6+2229.9)/2=2243.25kJ/kg

代入上式得：當d>4.4041m后才出現湍流。第七章凝結與沸騰換熱—復習題常壓下查出物性常數：

ts=第七章凝結與沸騰換熱—復習題5.試說明大容器沸騰的q～Δt曲線中各部分的換熱機理。

答：①壁面過熱度Δt<4℃前，換熱服從單相自然對流規律。

②Δt>4℃后在壁面的某些特定點上出現獨立汽泡，并隨過熱度增加，汽化核心增加，汽泡互相影響，并會合成汽塊或汽柱。這一區域為核態沸騰區，汽泡劇烈擾動，換熱系數和熱流密度都急劇增大。換熱機理為相變換熱和傳熱表面氣液混合的湍流換熱的綜合。

第七章凝結與沸騰換熱—復習題5.試說明大容器沸騰的q第七章凝結與沸騰換熱—復習題③隨過熱度進一步提高，核態沸騰的最終，使汽塊或汽柱匯聚覆蓋在加熱面上，蒸汽的排除過程趨于惡化，這一區域為過渡沸騰區。使換熱效果變差。換熱機理為相變換熱和傳熱表面不均勻氣膜傳熱的綜合。

④在過渡沸騰區的未端，熱流密度達到最小。隨著過熱度的進一步增加，在加熱壁面上形成穩定的蒸汽膜層，產生的蒸汽有規則地排離膜層，壁面的輻射增強。熱流密度隨過熱度增加而增大。這一區段為穩定膜態沸騰。換熱機理為相變換熱和傳熱表面的均勻氣膜傳熱加上輻射傳熱。第七章凝結與沸騰換熱—復習題③隨過熱度進一步提高，核態沸第七章凝結與沸騰換熱—復習題6.對于熱流密度可控及壁面溫度可控的兩種換熱情形，分別說明控制熱流密度小于臨界熱流密度及溫差小于臨界溫差的意義，并針對上述兩種情形分別舉出一個工程應用實例。

答：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跳至穩定膜態沸騰，過熱度將猛升至近1000℃，可能導致設備的燒毀，所以必須嚴格監視并控制熱流密度，確保在安全工作范圍之內。對于依靠控制壁面溫度來改變工況的加熱設備，一旦過熱度超過核態沸騰的轉折點DNB，就有可能很快達到qmax，然后跳至穩定膜態沸騰，使換熱量大大減少。

熱流密度可控的例子：電加熱器；壁面溫度可控的例子：蒸發器、冷凝器（受飽和溫度控制）。第七章凝結與沸騰換熱—復習題6.對于熱流密度可控及壁第七章凝結與沸騰換熱—復習題7.試對比水平管外膜狀凝結及水平管外膜態沸騰換熱過程的異同。

答：相同點：換熱最大阻力都在貼附于壁面上的膜層中。不同點：膜態沸騰的膜層是氣膜，膜狀凝結的膜層是液膜。第七章凝結與沸騰換熱—復習題7.試對比水平管外膜狀凝第七章凝結與沸騰換熱—復習題8.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的液膜厚度。

強化沸騰換熱的基本思想是：盡量增加沸騰換熱表面的汽化核心，造出更多的微小凹坑。第七章凝結與沸騰換熱—復習題8.從傳熱表面的結構而言第七章凝結與沸騰換熱—復習題9.在你學習過的對流換熱中，表面傳熱系數計算式中顯含換熱溫差的有哪幾種換熱方式？其他換熱方式中不顯含溫差是否意味著與溫差沒有任何關系？

答：①自然對流；②凝結；③沸騰。

其他換熱方式中雖不顯含溫差，但仍與溫差有關。例如適用于中等以下溫差的迪圖斯—貝爾特計算式，這里的溫差指流體與壁面之間的溫度差。第七章凝結與沸騰換熱—復習題9.在你學習過的對流換熱第七章凝結與沸騰換熱—復習題10.在圖7-14所示的沸騰曲線中，為什么穩定膜態沸騰部分的曲線會隨Δt的增加而迅速上升？

答：這是因為Δt越大，輻射越強，而輻射熱流密度隨絕對溫度的4次冪增加，因此迅速上升。第七章凝結與沸騰換熱—復習題10.在圖7-14所示的第七章凝結與沸騰換熱—復習題11.熱管中的熱量傳遞過程所涉及到的傳熱環節都是我們以前所知道的，為什么一經把它們組合在熱管內，熱管就成為一種高效的傳熱元件？

答：這是因為熱管相對于金屬棒的導熱熱阻，當把真空條件下有相變的蒸發、冷凝、管壁導熱按構成熱管的方式組合在一起時其換熱熱阻小很多，而表現為高效傳熱元件的。金屬棒的導熱是熱量第七章凝結與沸騰換熱—復習題11.熱管中的熱量傳遞過第七章凝結與沸騰換熱—復習題從一端傳到另一端。傳熱熱阻與材料導熱系數和棒橫截面成反比，與長度成正比。而熱管的導熱為沿管子徑向，從管子外壁傳向內壁或相反，熱量傳遞路徑短，其導熱熱阻為：，管長

越長，熱阻越小，壁厚越薄，越小，熱阻越小。對流熱阻由于有相變傳熱，其表面傳熱系數非常高，對流換熱熱阻很小。使沿熱管長度方向導熱熱阻加上對流換熱熱阻，遠小于金屬棒的熱阻。第七章凝結與沸騰換熱—復習題從一端傳到另一端。傳熱熱阻與第七章凝結與沸騰換熱—復習題12.什么是重力熱管，試述其優點及局限性。

答：重力熱管：依靠重力回流冷凝液的熱管。

優點：無吸液芯，制造成本低。

局限性：只能豎直放置使用，并且必須保證蒸發段在下，冷凝段在上，不能反向。第七章凝結與沸騰換熱—復習題12.什么是重力熱管，試第七章凝結與沸騰換熱—復習題13.采用鋼-水熱管的換熱器，其換熱性能的優劣主要取決于什么環節？

答：主要取決于工件液的蒸發和冷凝兩個換熱環節。因為工件液的蒸發和冷凝任何一個環節不正常，熱端的熱量傳向冷端都要受阻，傳熱量極大地降低。第七章凝結與沸騰換熱—復習題13.采用鋼-水熱管的換第七章凝結與沸騰換熱—習題7-2.對于壓力為0.1013MPa的水蒸氣，試估算在Δt=tw-ts=10℃的情況下雅各布數之值，并說明此特征數的意義以及可能要用到這一特征數的那些熱傳遞現象。解：查附錄11和10，水蒸氣的潛熱和液膜的比熱為：

其雅各布數為：第七章凝結與沸騰換熱—習題7-2.對于壓力為0.10第七章凝結與沸騰換熱—習題此特征數的意義是蒸氣的潛熱與液膜顯熱的比值。說明凝結過程中，換熱量中潛熱與顯熱所占比例。當其較大時，說明潛熱占的比例大，顯熱占的比例小，冷凝的液體量所占比例不會較大，凝結膜中的流速會較小，可忽略液膜的慣性力。液膜放出的顯熱較少，可忽略液膜的過冷度。第七章凝結與沸騰換熱—習題此特征數的意義是蒸氣的潛熱與液第七章凝結與沸騰換熱—習題7-4．當把一杯水倒在一塊赤熱的鐵板上時，板面上立即會產生許多跳動著的小水滴，而且可以維持相當一段時間而不被汽化掉。試從傳熱學的觀點來解釋這一現象[常稱為萊登佛羅特（Leidenfrost）現象]，并從沸騰換熱曲線上找出開始形成這一狀態的點。第七章凝結與沸騰換熱—習題7-4．當把一杯水倒在一塊赤熱第七章凝結與沸騰換熱—習題解：因水的表面張力隨溫度升高，而減小，在一開始水的溫度較低，表面應力大。赤熱的鐵板表面有一層氣膜，由于壁面加熱而產生自然對流。當水滴落在鐵板上時，使處于自然對流的氣膜受到干擾，產生波動，水受到氣膜的波動力，而分離成小水滴。小水滴受到周圍氣膜的包圍，氣膜的傳熱系數小，使水滴在相當一段時間內才能達到飽和溫度。這一現象在沸騰換熱曲線上處于過渡沸騰段。開始形成這一狀態點是對應圖6-11上qmin的點。因隨過程進行壁面過熱度減少，而向過渡沸騰段進行。第七章凝結與沸騰換熱—習題解：因水的表面張力隨溫度升高，第七章凝結與沸騰換熱—習題7-5．飽和水蒸氣在高度l=1.5m的豎管外表面上作層流膜狀凝結。水蒸氣壓力為p=2.5×105Pa，管子表面溫度為123℃。試利用努塞爾分析解計算離開管頂為0.1m、0.2m、0.4m、0.6m及1.0m處的液膜厚度和局部表面傳熱系數。解：水蒸氣壓力為p=2.5×105Pa時的物性為：第七章凝結與沸騰換熱—習題7-5．飽和水蒸氣在高度l=1第七章凝結與沸騰換熱—習題第七章凝結與沸騰換熱—習題《傳熱學》習題課(對流換熱部分)ppt課件第七章凝結與沸騰換熱—習題7-12.壓力為1.013×105Pa的飽和水蒸氣,用水平放置的壁溫為90℃的銅管來凝結。有下列兩種選擇：用一根直徑為10cm的銅管或用10根直徑為1cm的銅管。試問：（1）這兩種選擇所產生的凝結水量是否相同？最多可以相差多少？（2）要使凝結水量的差別最大，小管徑系統應如何布置（不考慮容積的因素）。（3）上述結論與蒸汽壓力、銅管壁溫是否有關（保證兩種布置的其他條件相同）？第七章凝結與沸騰換熱—習題7-12.壓力為1.013第七章凝結與沸騰換熱—習題解：（1）單位長度的管子的平均傳熱量應與質量qm的相變熱相等：。而水平管的表面傳熱系數為：

一根管子直徑d1和n根管子直徑d2的凝結水量比為：第七章凝結與沸騰換熱—習題解：（1）單位長度的管子的平均第七章凝結與沸騰換熱—習題本例：

凝結水量不同。10根直徑為1cm的銅管的凝結水量多，最多可相差1.778倍。

（2）從上向下在垂直面上10根細管排成一排可得到最大凝結量。這是因為上層的凝結水，落在下層管子上可產生飛濺，對液膜沖擊擾動，加速傳熱和冷凝。

（3）無關。因為蒸氣壓力和壁溫影響物性數據、飽和溫度與壁溫的差值。只要對粗管和細管兩種系統它們兩者一致，它們對表面傳熱系數的影響比例相同，并不影響兩種選擇的凝結量比值。第七章凝結與沸騰換熱—習題本例：

凝結水量不同。1第七章凝結與沸騰換熱—習題7-19．直徑為6mm的合金鋼元在98℃水中淬火時的冷卻曲線如附圖所示。鋼元初溫為800℃。試分析曲線各段所代表的換熱過程的性質。0200400600800100061218243036ABC時間τ/s鋼元溫度t/℃鋼元的冷卻曲線第七章凝結與沸騰換熱—習題7-19．直徑為6mm的合金鋼第七章凝結與沸騰換熱—習題解：直線的A段，鋼元溫度800℃到400℃左右，液體在淬火開始時，溫度較低，逐漸溫度升高，過熱度很大，鋼元表面有一層穩定的膜為膜狀沸騰。曲線的B段，鋼元溫度從400℃左右到低于200℃溫度仍較高，但液體的溫度也較高，過熱度較大，鋼元表面的氣膜層由穩定轉向不穩定，很快進入分離的氣塊或氣柱，也有可能出現孤獨氣泡。為短暫的過渡沸騰，很快進入核態沸騰區。直線的C段，過熱度減少，進入自然對流段。第七章凝結與沸騰換熱—習題解：直線的A段，鋼元溫度800第七章凝結與沸騰換熱—習題7-34．如附圖所示，在軋制鋼板的過程中，當鋼板離開最后一副軋滾后，用水（冷卻介質）沖射到鋼板上進行冷卻，然后再卷板。由于鋼板溫度很高，水膜離開噴嘴不遠即在其下形成汽膜。不考慮運動的影響，并把鋼板看成直徑為1.1m的圓柱表面，試估計每平方米鋼板與水的貼壁射流間的換熱量。鋼板表面的