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(xiě)出普朗克定律，蘭貝格定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并說(shuō)明其物理意義及數(shù)學(xué)表達(dá)式中各符號(hào)的意義與單位。答：（1）、普朗克定律：E b=C1-5eC2T-1；物理意義：?jiǎn)挝粫r(shí)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(zhǎng)在內(nèi)的單位波長(zhǎng)內(nèi)的能量稱(chēng)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(zhǎng)，m；T-黑體熱力學(xué)溫度，ke-自然對(duì)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(wú)關(guān)；d（）-輻射出去的能量，WdAcos-可以視為從方向看過(guò)去的面積稱(chēng)為可見(jiàn)面積，m2d-微元立體角，sr2試闡述導(dǎo)熱、對(duì)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(duì)流的區(qū)別在于：物體內(nèi)部依靠微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象，稱(chēng)為導(dǎo)熱；對(duì)流則是流體各部分之間發(fā)生宏觀相對(duì)位移及冷熱流體的相互摻混。聯(lián)系是：在發(fā)生對(duì)流換熱的同時(shí)必然伴生有導(dǎo)熱。導(dǎo)熱、對(duì)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(shí)現(xiàn)，而輻射可以在真空中

3、傳播，輻射換熱時(shí)不僅有能量的轉(zhuǎn)移還伴有能量形式的轉(zhuǎn)換。3試寫(xiě)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(xiě)出表達(dá)式中各符號(hào)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(lèi)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(shí)，每單位壁面面積上、單位時(shí)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(duì)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(duì)流換熱過(guò)程中流體的流動(dòng)起什么作用？答：（1）、在描述對(duì)流換熱的能量微分方程中，對(duì)流項(xiàng)含有流體速度，即要獲得流體的溫度場(chǎng)，必須先獲得速度場(chǎng)，只有流體流動(dòng)，才能建立流動(dòng)速度場(chǎng)；（2）、流體流動(dòng)可帶來(lái)熱量，亦可帶走熱量，流動(dòng)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(huì)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(guò)導(dǎo)熱的熱損失降到最

5、低，真空情況下不存在對(duì)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(huà)出大容器沸騰的q-t曲線，并對(duì)熱流密度可控及壁面溫度可控的兩種情形，分別說(shuō)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(duì)于依靠控制熱流密度來(lái)改變工況的加熱設(shè)備，一旦熱流密度超過(guò)峰值，工況將沿qmax點(diǎn)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(duì)于壁溫可控的設(shè)備，一旦q超過(guò)轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(jì)測(cè)量容器內(nèi)的熱流密度，未來(lái)減小測(cè)量誤差，套管

6、材料是選用銅還是不銹鋼？說(shuō)明原因。答：由于套管溫度計(jì)的套管可視為一維截面直肋，要減小測(cè)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(zhǎng)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(xiě)出Nu、Pr、Gr、Re數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，說(shuō)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(wú)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(duì)大小。 （3）普朗特?cái)?shù)，Pr=va，它表示動(dòng)量擴(kuò)散厚度和能量擴(kuò)散厚度的相對(duì)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(duì)大小。(它表示無(wú)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(duì)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(duì)六換熱過(guò)程中流體的流動(dòng)起身么作用？答：（1）在描述對(duì)流換熱的微分方程中，對(duì)流項(xiàng)含有流體速度，即要獲得流體的溫度場(chǎng)，必須先獲得速度場(chǎng)，只有流動(dòng)才能建立流動(dòng)速度場(chǎng)；（2）流體流動(dòng)可帶來(lái)熱量，亦可帶走熱量，流動(dòng)與換熱密不可分。10.定性說(shuō)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(duì)大小與流體的普朗特?cái)?shù)pr有關(guān)，也就是與流體的熱擴(kuò)散特性和動(dòng)量擴(kuò)散特性的相對(duì)

8、大小有關(guān)。當(dāng)普朗特?cái)?shù)很小時(shí)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(huà)出大容器沸騰的q-t曲線，并說(shuō)明在q-t曲線中為什么穩(wěn)定模態(tài)沸騰部分的曲線會(huì)隨t的增加而迅速上升？圖同6因?yàn)殡S著壁面過(guò)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(guò)的對(duì)流傳熱中，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)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(méi)有關(guān)系？答：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)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(méi)有關(guān)系，只是溫差的影響隱含在公式適用范圍和物件計(jì)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?zhuān)看穑何矬w在對(duì)對(duì)某一特定波長(zhǎng)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(zhǎng)的變化體現(xiàn)了實(shí)際物體的選擇吸收的特性。物體的顏色是物體對(duì)光源某種波長(zhǎng)的強(qiáng)烈反射，不同光源的觀瀑不同，所以無(wú)題呈現(xiàn)不同的顏色。16.對(duì)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(gè)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(qiáng)化凝結(jié)換熱的基本思想是什么？強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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)_(kāi)水時(shí)，盡管爐火很旺，但水壺仍然安然無(wú)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(diǎn)分析這一現(xiàn)象答：當(dāng)壺內(nèi)有水時(shí)，可以對(duì)壺底進(jìn)行很好的冷卻（水對(duì)壺底的對(duì)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(méi)有水時(shí)，和壺底發(fā)生對(duì)流換熱的是氣體，因?yàn)闅怏w發(fā)生對(duì)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(duì)流換熱

11、問(wèn)題完整的數(shù)字描述應(yīng)包括什么內(nèi)容？既然對(duì)大多數(shù)實(shí)際對(duì)流傳熱問(wèn)題尚無(wú)法求得其精確解，那么建立對(duì)流換熱問(wèn)題的數(shù)字描述有什么意義？答：對(duì)流換熱問(wèn)題完整的數(shù)字描述應(yīng)包括：對(duì)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(duì)流換熱問(wèn)題的數(shù)字描述目的在于找出影響對(duì)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(dòng)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(yǔ)言將傳熱學(xué)術(shù)語(yǔ)說(shuō)明導(dǎo)熱問(wèn)題三種類(lèi)型的邊界條件。對(duì)流換熱過(guò)程微分方程式與導(dǎo)熱過(guò)程的第三類(lèi)邊界條件表達(dá)式兩者有什么不同之處？ 答：（1） 第一類(lèi)邊界條件： 第二類(lèi)邊界條

12、件： 第三類(lèi)邊界條件：（2）對(duì)流換熱過(guò)程微分方程式： -1hx=-lDtxtyw,x 1 導(dǎo)熱過(guò)程的第三類(lèi)邊界條件表達(dá)式為： 2式1中為x點(diǎn)貼壁處流體的溫度梯度，k/m。由近壁面的溫度場(chǎng)確定，L為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，qx為對(duì)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(guò)一段時(shí)間后，冰塊的形狀會(huì)發(fā)生哪些變化？冰塊會(huì)在繩上完全融化嗎？答：由題意知，該冰柱的融化過(guò)程相當(dāng)于豎圓柱的自然對(duì)流換熱。根據(jù)豎壁自然對(duì)流換熱的機(jī)理，由于冰柱壁面溫度低于周?chē)諝鉁囟?，故流體貼壁向下流動(dòng)，邊界層上部

13、薄而下部厚。局部對(duì)流換熱系數(shù)上部較大而下部較小，因此，雖然冰柱整個(gè)會(huì)慢慢融化，但上部融化較快，其形狀會(huì)變得上部細(xì)、下部粗，不等在繩上全部融化就會(huì)掉在地上22圖中：q1從咖啡到瓶?jī)?nèi)膽的自然對(duì)流；q2通過(guò)瓶?jī)?nèi)膽的導(dǎo)熱；q3從瓶?jī)?nèi)膽到空氣的自然對(duì)流；q4從空氣到外殼的自然對(duì)流；q5瓶?jī)?nèi)膽外表面與外殼內(nèi)表面之間的輻射換熱；q6通過(guò)外殼的導(dǎo)熱；q7從外殼到室內(nèi)空氣的自然對(duì)流；q8外殼外表面與環(huán)境之間的輻射換熱。 設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)保溫容器的指導(dǎo)意見(jiàn)：(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(duì)流23.“表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與流體速度場(chǎng)無(wú)關(guān)”，判斷說(shuō)法的正

14、確性？簡(jiǎn)述其原因。答 ：這種說(shuō)法不正確。因?yàn)樵诿枋隽鲃?dòng)的能量微分方程中，對(duì)流項(xiàng)含有流體速度，即要獲得流體的溫度場(chǎng)，必須先獲得其速度場(chǎng)，“流動(dòng)與換熱密不可分”，因此表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)必與流體速度場(chǎng)有關(guān)。24對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)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(duì)流。所以如果要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)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(guò)程分析，為什么總電加熱器時(shí)當(dāng)加熱功率q>qmax時(shí)易發(fā)生壁面被燒毀的現(xiàn)象，而采用蒸汽加熱則不會(huì)。答：

15、用電加熱時(shí)，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(guò)qmax值時(shí)，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(chē)的車(chē)廂為什么要裝兩層玻璃？試從傳熱學(xué)的觀點(diǎn)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(chē)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(jìn)來(lái)，這樣車(chē)廂內(nèi)的溫度就會(huì)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(huì)出現(xiàn)一個(gè)臨界高度，超過(guò)這個(gè)高度后，肋片導(dǎo)熱熱數(shù)流量反而會(huì)

16、下降。試分析這一觀點(diǎn)的正確性。答：錯(cuò)誤，因?yàn)楫?dāng)肋片高度達(dá)到一定值時(shí)，通過(guò)該處截面的熱流密度為零。通過(guò)肋片的熱流已達(dá)到最大值，不會(huì)因?yàn)楦叨鹊脑黾佣l(fā)生變化三、計(jì)算題1為什么計(jì)算個(gè)表面與外界之間的凈輻射換熱量時(shí)要采用封閉腔的模型? 對(duì)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?yàn)槿我槐砻媾c外界的輻射換熱包括了該表面向空間各個(gè)方向發(fā)出的輻射能和從各個(gè)方向投入到該表面上的輻射能（2）畫(huà)出輻射網(wǎng)絡(luò)圖，寫(xiě)出端點(diǎn)輻射力、表面熱阻和空間熱阻；寫(xiě)出由中間節(jié)點(diǎn)方程組成的方程組；解方程組得到各點(diǎn)有效輻射；由端點(diǎn)輻射力，有效輻射和表面熱阻計(jì)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(shí)際作用你是怎樣認(rèn)識(shí)的？答：出輻射表面特性引起的熱阻稱(chēng)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(chēng)為輻射空間熱阻，網(wǎng)絡(luò)法的實(shí)際作用是為實(shí)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(jiǎn)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(huà)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(huà)出等效的輻射網(wǎng)絡(luò)圖(3)計(jì)算角系數(shù)及輻射熱阻(3)根據(jù)類(lèi)似于電學(xué)中的基爾霍夫定律列出節(jié)點(diǎn)方程(4)求解代數(shù)方程得出節(jié)點(diǎn)電勢(shì)(5)按下列公式確定每個(gè)表面的凈輻射換熱量。i,j=ji-jj1AiXi,j i=Ebi-ji1

18、-iiAi4對(duì)于矩形區(qū)域內(nèi)的常物性，無(wú)內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問(wèn)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(shí)，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(gè)邊絕熱，其余三個(gè)邊均為給定溫度；（3）四邊中有一個(gè)邊為給定熱流（不等于零），其余三個(gè)邊中至少有一個(gè)邊為給定溫度；（4）四邊中有一個(gè)邊為第三類(lèi)邊界條件。解：（1）一樣，因?yàn)閮煞N 情況下的數(shù)學(xué)描寫(xiě)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(lèi)邊界條件的表達(dá)式中出現(xiàn)固體導(dǎo)熱系數(shù)5。對(duì)于強(qiáng)迫對(duì)流換熱現(xiàn)象，選用實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算其表

19、面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時(shí)的計(jì)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(gè)平均溫度下的物性值：比熱Cp，黏度，導(dǎo)熱系數(shù)，普朗特?cái)?shù)Pr等.(2)根據(jù)物體的形狀和流體的流動(dòng)形式，選定對(duì)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(jì)算雷諾數(shù)Re；（4）根據(jù)計(jì)算的雷諾數(shù)Re值判定流體的流動(dòng)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(jì)算其值；（6）由求得的努塞爾數(shù)值反過(guò)來(lái)計(jì)算表面換熱系數(shù)h的值，h=Nu/L6。對(duì)于自然對(duì)流換熱現(xiàn)象，選用實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時(shí)的計(jì)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(gè)平均溫度下的物性值：比熱Cp，黏度，導(dǎo)熱系數(shù)，普朗特?cái)?shù)Pr等.(2)根據(jù)物體的形狀和流體的流動(dòng)形式，選定對(duì)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(jì)算雷諾數(shù)Re；（4）根據(jù)計(jì)算的雷諾數(shù)Re值判定