傳熱學(xué)復(fù)習(xí)資料

1、 傳熱學(xué)復(fù)習(xí)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(shù)學(xué)表達(dá)式，并說明其物理意義及數(shù)學(xué)表達(dá)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(nèi)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(nèi)的單位波長內(nèi)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(xué)溫度，ke-自然對數(shù)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(nèi)圍繞空間結(jié)構(gòu)角方向的微元立體角d內(nèi)輻射出去的能量為d（）；I-常數(shù)，與方向無關(guān)；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(dǎo)熱、對流傳熱及輻射傳熱三種傳遞方式之間的聯(lián)系與區(qū)別？答：導(dǎo)熱和對流的區(qū)別在于：物體內(nèi)部依靠微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，稱為導(dǎo)熱；對流則是流體各部分之間發(fā)生宏觀相對位移及冷熱流體的相互摻混。聯(lián)系是：在發(fā)生對流換熱的同時必然伴生有導(dǎo)熱。導(dǎo)熱、對流這兩種熱量傳遞方式，只有在物質(zhì)存在的條件下才能實現(xiàn)，而輻射可以在真空中

3、傳播，輻射換熱時不僅有能量的轉(zhuǎn)移還伴有能量形式的轉(zhuǎn)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(shù)學(xué)表達(dá)式，并寫出表達(dá)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(dǎo)熱系數(shù)-表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是一種物理參數(shù)，與材料種類和溫度有關(guān)；-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?zhèn)鳠嵯禂?shù)-當(dāng)流體與壁面溫度相差1°時，每單位壁面面積上、單位時間內(nèi)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(shù)；T-輻射物體的熱力學(xué)溫度。4由對流換熱微分方程式表明，在邊界值垂直于壁面的熱量傳遞完全依靠導(dǎo)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(nèi)膽外壁及外膽內(nèi)壁涂了發(fā)射率很低的銀。試應(yīng)用傳熱學(xué)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(dǎo)熱的熱損失降到最

5、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(shè)備，一旦熱流密度超過峰值，工況將沿qmax點的虛線跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰線，溫度將猛升至1000度，可能導(dǎo)致設(shè)備的燒毀，所以必須嚴(yán)格監(jiān)視和控制熱流密度，確保在安全工作范圍之內(nèi)。對于壁溫可控的設(shè)備，一旦q超過轉(zhuǎn)折點之值，就可能導(dǎo)致膜態(tài)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(nèi)的熱流密度，未來減小測量誤差，套管

6、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近流體溫度）應(yīng)盡量減小沿套管長度流向容器壁面的熱量，即增大該方向熱阻，所以應(yīng)用導(dǎo)熱系數(shù)大的不銹鋼。8.試寫出Nu、Pr、Gr、Re數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，說明各數(shù)的物理意義。答：（1）努塞爾數(shù)，Nu=hll，它表示表面上無量綱溫度梯度的大小。     （2）雷諾數(shù)，nRe=ulv，它表示慣性力和粘性力的相對大小。 （3）普朗特數(shù)，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(shù)，Bi=hl，它表示導(dǎo)

7、熱體內(nèi)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(shù),Gr=gl3atv2，是流體浮升力與粘性力之比的度量9.由對流換熱微分方程式表明，在邊界上與壁面的熱流量傳遞完全依靠導(dǎo)熱，那么在對六換熱過程中流體的流動起身么作用？答：（1）在描述對流換熱的微分方程中，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。10.定性說明速度邊界層厚度與熱邊界層厚度之間的關(guān)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(shù)pr有關(guān)，也就是與流體的熱擴散特性和動量擴散特性的相對

8、大小有關(guān)。當(dāng)普朗特數(shù)很小時pr1，熱邊界層厚度速度邊界層厚度，pr1，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(fā)展段13.試畫出大容器沸騰的q-t曲線，并說明在q-t曲線中為什么穩(wěn)定模態(tài)沸騰部分的曲線會隨t的增加而迅速上升？圖同6因為隨著壁面過熱度的增加，輻射換熱的作用顯著增加，從而導(dǎo)致熱流密度曲線迅速上升。14.在你學(xué)過的對流傳熱中，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)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(guān)系？答：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算中顯含傳熱溫差的有凝結(jié)

9、換熱和沸騰換熱，不顯含傳熱溫差并不意味著與溫差沒有關(guān)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(xiàn)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?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長的變化體現(xiàn)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，不同光源的觀瀑不同，所以無題呈現(xiàn)不同的顏色。16.對于一般物體，吸收比等于發(fā)射率在什么條件下才成立？答：（1）整個系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；（2）若物體的吸收比和發(fā)射率與溫度有關(guān)，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溫度下的黑體。17。從傳熱

10、表面的結(jié)構(gòu)而言，強化凝結(jié)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：換熱表面的結(jié)構(gòu)而言，強化凝結(jié)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(shù)17.用鋁制的水壺?zé)_水時，盡管爐火很旺，但水壺仍然安然無恙。而一旦壺內(nèi)的水燒干后，水壺很快就燒壞。試從傳熱學(xué)的觀點分析這一現(xiàn)象答：當(dāng)壺內(nèi)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(shù)大），壺底的熱量被很快傳走而不至于溫度升得很高；當(dāng)沒有水時，和壺底發(fā)生對流換熱的是氣體，因為氣體發(fā)生對流換熱的表面換熱系數(shù)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對流換熱

11、問題完整的數(shù)字描述應(yīng)包括什么內(nèi)容？既然對大多數(shù)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(shù)字描述有什么意義？答：對流換熱問題完整的數(shù)字描述應(yīng)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(shù)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(guān)系，每一種關(guān)系都必須滿足動量，能量和質(zhì)量守恒關(guān)系，避免在研究遺漏某種物理因素19.試分別用數(shù)學(xué)語言將傳熱學(xué)術(shù)語說明導(dǎo)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(dǎo)熱過程的第三類邊界條件表達(dá)式兩者有什么不同之處？ 答：（1） 第一類邊界條件： 第二類邊界條

12、件： 第三類邊界條件：（2）對流換熱過程微分方程式： -1hx=-lDtxtyw,x 1 導(dǎo)熱過程的第三類邊界條件表達(dá)式為： 2式1中為x點貼壁處流體的溫度梯度，k/m。由近壁面的溫度場確定，L為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，qx為對流換熱量，是隨著x的變化而變化的，而式2中是確定的。式2中的l是傳熱體的導(dǎo)熱系數(shù)，由傳熱材料決定。20在氣溫為10度的房間內(nèi)用細(xì)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(fā)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(dāng)于豎圓柱的自然對流換熱。根據(jù)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

13、薄而下部厚。局部對流換熱系數(shù)上部較大而下部較小，因此，雖然冰柱整個會慢慢融化，但上部融化較快，其形狀會變得上部細(xì)、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(nèi)膽的自然對流；q2通過瓶內(nèi)膽的導(dǎo)熱；q3從瓶內(nèi)膽到空氣的自然對流；q4從空氣到外殼的自然對流；q5瓶內(nèi)膽外表面與外殼內(nèi)表面之間的輻射換熱；q6通過外殼的導(dǎo)熱；q7從外殼到室內(nèi)空氣的自然對流；q8外殼外表面與環(huán)境之間的輻射換熱。 設(shè)計優(yōu)質(zhì)保溫容器的指導(dǎo)意見：(1)采用鍍鋁(低發(fā)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?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與流體速度場無關(guān)”，判斷說法的正

14、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)。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(dǎo)熱系數(shù)，應(yīng)采用哪一種布置？解：（1）中熱量交換的方式主要為熱傳導(dǎo)。（2）熱量交換的方式主要有熱傳導(dǎo)和自然對流。所以如果要通過實驗來測定夾層中流體的導(dǎo)熱系數(shù)，應(yīng)采用（1）布置。25. 試從沸騰過程分析，為什么總電加熱器時當(dāng)加熱功率q>qmax時易發(fā)生壁面被燒毀的現(xiàn)象，而采用蒸汽加熱則不會。答：

15、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(dāng)加熱功率q稍超過qmax值時，工況將沿虛線跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰曲線，使壁面溫度飛升，導(dǎo)致設(shè)備燒毀。27.列車的車廂為什么要裝兩層玻璃？試從傳熱學(xué)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(nèi)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(fēng)，冷空氣源源不斷的進來，這樣車廂內(nèi)的溫度就會受到影響。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(rèn)為，隨著肋片高度的增加會出現(xiàn)一個臨界高度，超過這個高度后，肋片導(dǎo)熱熱數(shù)流量反而會

16、下降。試分析這一觀點的正確性。答：錯誤，因為當(dāng)肋片高度達(dá)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(dá)到最大值，不會因為高度的增加而發(fā)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量時要采用封閉腔的模型? 對于溫度已知的多表面系統(tǒng)，試總結(jié)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(fā)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(wǎng)絡(luò)圖，寫出端點輻射力、表面熱阻和空間熱阻；寫出由中間節(jié)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？

17、什么是輻射空間熱阻？網(wǎng)絡(luò)法的實際作用你是怎樣認(rèn)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(wǎng)絡(luò)法的實際作用是為實際物體表面之間的輻射換熱描述了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(tǒng)，試總結(jié)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(tǒng)的等效網(wǎng)絡(luò)圖。答：(1)組成封閉腔系統(tǒng)，并確定表面的數(shù)目(2)畫出等效的輻射網(wǎng)絡(luò)圖(3)計算角系數(shù)及輻射熱阻(3)根據(jù)類似于電學(xué)中的基爾霍夫定律列出節(jié)點方程(4)求解代數(shù)方程得出節(jié)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

18、-iiAi4對于矩形區(qū)域內(nèi)的常物性，無內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問題，試分析在下列四種邊界條件的組合下，導(dǎo)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(shù)學(xué)描寫中不出現(xiàn)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(xiàn)固體導(dǎo)熱系數(shù)； (4)不一樣，在第三類邊界條件的表達(dá)式中出現(xiàn)固體導(dǎo)熱系數(shù)5。對于強迫對流換熱現(xiàn)象，選用實驗關(guān)聯(lián)式計算其表

19、面?zhèn)鳠嵯禂?shù)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(shù)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(dǎo)熱系數(shù)，普朗特數(shù)Pr等.(2)根據(jù)物體的形狀和流體的流動形式，選定對流換熱影響最大，關(guān)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(shù)Re；（4）根據(jù)計算的雷諾數(shù)Re值判定流體的流動狀態(tài)是層流還是紊流；（5）根據(jù)上面的判定選擇適當(dāng)?shù)呐麪枖?shù)Nu=f（Re，Pr）；并計算其值；（6）由求得的努塞爾數(shù)值反過來計算表面換熱系數(shù)h的值，h=Nu/L6。對于自然對流換熱現(xiàn)象，選用實驗關(guān)聯(lián)式計算其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)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(shù)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(dǎo)熱系數(shù)，普朗特數(shù)Pr等.(2)根據(jù)物體的形狀和流體的流動形式，選定對流換熱影響最大，關(guān)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(shù)Re；（4）根據(jù)計算的雷諾數(shù)Re值判定