第十章對流換熱

1、第十章對流換熱 英文習(xí)題 1. Finding conv ecti on coefficie nt from drag measureme nt A 2 mx 3 mflat plate is suspended in a room, and is subjected to air flow parallel to its surfaces along its 3-m-long side. The free stream temperature and velocity 20 DC, 7 m/s UUIUIU L3 ill FIGURE 10-1 of air are 20 C and7m/s

2、. The total drag force acting on the plate is measured to be N. Determine the average convection heat transfer coefficie nt for the plate (Fig. 10-1). 2. Cooli ng of a hot block by forced air at high elevatio n The local atmospheric pressure in Den ver, Colorado (elevati on 1610 m) , is kPa. Air at

3、this pressure and 20C flows with a velocity of 8 m/s over a 1.5 m x 6 m flat plate whose temperature FIGURE 10-2 is 140C (Fig. 10-2). Determine the rate of heat transfer from the plate if the air flows parallel to the (a) 6-m-l ong side and (b) the side. 3. Cooli ng of a steel ball by forced air A 2

4、5-cm- diameter stainless steel ball ( 3 p =8055 kg/m , and C p=480 J/kg. C) is removed from the ove n at a uniform temperature of 300 C. The ball is the n subjected to the flow of air at 1 atm pressure and 25 C with a velocity of 3 m/s. The surface temperature of the ball eventually drops to 200C. D

5、eterm ine the average con vecti on heat tra nsfer coefficie nt duri ng this cooling process and estimate how long the process will take. 4. Flow of oil in a pipeline through the icy waters of a lake Con sider the flow of oil at 20C in a 30 -cm-diameter pipeli ne at an average velocity of 2 m/s . A 2

6、00-m-long section of the pipeline FIGURE 10-4 passes through icy waters of a lake at 0 C . Measurements indicate thatthe surface temperature determ ine of the pipe is very n early 0C. disregard ing thermal resista nee of the pipe material, (a) the temperature of the oil whe n the pipe leaves the lak

7、e, (b) the rate of heat tra nsfer from the oil. 5. Heat loss through a double-pa ne win dow separated The vertical , 2-m-wide double-pane window shown in , eonsists of two sheets of glass by a 2-cm air gap at atmospheric pressure. If the glass surface temperatures across the air gap are measured to

8、be 12 C and 2 C , determine the rate of heat transfer through the window. 工程熱力學(xué)與傳熱學(xué) 對流換熱習(xí)題 1. 何謂表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)請寫出其定義式并說明其物理意義。 2. 用實(shí)例簡要說明對流換熱的主要影響因素。 3. 對流換熱微分方程組由幾個方程組成，各自導(dǎo)出的理論依據(jù)是什么 4. 何謂流動邊界層和熱邊界層他們的厚度是如何規(guī)定的 5. 簡述邊界層理論的基本內(nèi)容。 6. 邊界層理論對求解對流換熱問題有何意義 7. 層流邊界層和湍流邊界層在傳熱機(jī)理上有何區(qū)別 8. 何謂兩個物理現(xiàn)象相似 9. 簡述相似理論的主要內(nèi)容。 10.

9、如何判斷兩個現(xiàn)象是否相似 11. 相似理論對解決對流換熱問題有何指導(dǎo)意義 12. 分別寫出努塞爾特?cái)?shù) Nu,雷諾數(shù)Re,普朗特熟Pr，格拉曉夫數(shù) Gr的表達(dá)式，并說明他們的物 理意義。 13. 努塞爾特?cái)?shù)Nu和畢渥數(shù)Bi的表達(dá)式的形式完全相同，二者有何區(qū)別 14. 水和空氣均以u=1m/s的速度分別平行流過平板，邊界層的平均溫度均為50C，試求距平板前 沿100mm處流動邊界層及熱邊界層的厚度。 15. 試求水平行流過長度為 0.4m的平板時沿程x=0. 1 m 0.2m, 0.3m, 0. 4m處的局部表面?zhèn)鳠嵯?數(shù)。已知水的來流溫度 t*=20C，速度u*=1m/s，平板的壁面溫度tw=6

10、0C。 16. 如果用特征長度為原型1/3的模型來模擬原型中速度為6m/s，溫度為200C的空氣強(qiáng)迫對流換 熱，模型中空氣的溫度為20C。試問模型中空氣的速度為多少如果測得模型中對流換熱的平均表面 傳熱系數(shù)為200W/（m答：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可由牛犢冷卻公式定義，其大小表明了對流換熱的強(qiáng)弱。 答：影響對流換熱的因素有： （1）流動的原因，自然對流換熱或強(qiáng)迫對流換熱，一般來說，自 然對流的流速較低，因此自然對流通常要比強(qiáng)迫對流換熱弱，例如，氣體的自然對流換熱表面?zhèn)鳠?系數(shù)在1-10范圍內(nèi)，而氣體的強(qiáng)迫獨(dú)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)通常為10-100范圍。（2）流動的狀態(tài)， 層流或湍流；（3）流體有無相變；（4

11、）流體的物理性質(zhì)；（5）換熱表面的幾何因素。 答：對流換熱的微分方程組包括連續(xù)性方程，根據(jù)微元體的質(zhì)量守恒導(dǎo)出；（2）動量微分方程, 根據(jù)微元體的動量守恒導(dǎo)出；（3）能量微分方程，根據(jù)微元體的質(zhì)量守恒導(dǎo)出。 答：（1）當(dāng)連續(xù)性粘性流體流過固體壁面時，由于粘性力的作用，緊靠壁面的一薄層流體內(nèi)的 速度變化最為顯著，這一速度發(fā)生明顯變化的流體薄層稱為流動邊界層，通常規(guī)定速度達(dá)到處的值 K）求原型中的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)值。 17. 水在換熱器管內(nèi)被加熱，管內(nèi)徑為14mm管長為2.5m，管壁溫度保持為110C，水的進(jìn)口溫度 為50C，流速為1.3m/s。試求水流過換熱器后的溫度。 18. 空氣以1.3m/

12、s的速度在內(nèi)徑為22mm長為2.25m的管內(nèi)流動，空氣的平均溫度為38.5 C,管 壁溫度為58C，試求管內(nèi)對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 作為邊界層厚度，用表示；（2）當(dāng)溫度均勻的流體流過與其溫度不同的固體表面時，在壁面附近將 形成一層溫度變化較大的流體層，稱為熱邊界層，規(guī)定流體過余溫度=處到壁面的距離為熱邊界層厚 度，用表示。 5. 答：邊界層理論的基本內(nèi)容為（1）邊界層厚度與壁面特性長度相比是很小的量，（2）流場劃分 為邊界層區(qū)和主流區(qū)。流動邊界層內(nèi)存在較大的速度梯度，是發(fā)生動量擴(kuò)散的主要區(qū)域。在流動邊 界層外的主流區(qū)，流體可近似為理想流體。熱邊界層存在較大的溫度梯度，是發(fā)生熱量擴(kuò)散的主要 區(qū)

13、域，邊界層外的溫度梯度可忽略。（3）根據(jù)流動狀態(tài)，邊界層分為層流邊界層和湍流邊界層。湍 流邊界層分為層流底層，緩沖層與湍流核心區(qū)三層。層流底曾內(nèi)的速度梯度和溫度梯度遠(yuǎn)大于湍流 核心。（4）在層流邊界層和層流底層，垂直于壁面方向的熱量傳遞主要靠導(dǎo)熱，湍流邊界層的主要 熱阻在層流底層。 6. 答：對流換熱微分方程組和單值性條件構(gòu)成了一個具體對流換熱問題的完整數(shù)學(xué)描述，但由于 微分方程的復(fù)雜性，尤其是動量微分方程的非線性，使方程的分析求解非常困難，應(yīng)用邊界層理論， 將微分方程組簡化，使其分析求解成為可能。 7. 答：層流邊界層的換熱主要依靠分子擴(kuò)散，即按導(dǎo)熱進(jìn)行。對湍流邊界層，在層流底層，熱量 傳遞

14、方式為導(dǎo)熱，湍流核心區(qū)，熱量傳遞方式主要為對流換熱。 8. 答：物理現(xiàn)象相似是指：如果同類物理現(xiàn)象之間所有同名物理量場都相似，即同名的物理量在 所有對應(yīng)時間，對應(yīng)地點(diǎn)的數(shù)值成比例，則稱物理現(xiàn)象相似。 9. 答：相似原理包括相似三定理，相似第一定理：彼此相似的現(xiàn)象，必定具有相同的同名準(zhǔn)數(shù)的 數(shù)值；相似第二定理：所有相似的物理現(xiàn)象的解必定用同一個特征數(shù)關(guān)系式描述；相似第三定理： 凡同類現(xiàn)象，若同名已定特征數(shù)相等，且單值性條件相似，那么這兩個現(xiàn)象一定相似。 10. 答：兩個現(xiàn)象相似必滿足 3個條件（1）同類現(xiàn)象；（2）單值性條件相似；（3）同名已定特征數(shù) 相等。 11. 答：相似原理回答了進(jìn)行模型實(shí)

15、驗(yàn)所必須解決的3個問題：（1 ）如何安排實(shí)驗(yàn)；（2）如何整理 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果的適用范圍，如何保證模型與原形充分必要相似。 12. 答：（1）努謝爾特準(zhǔn)數(shù)：Nu 巴，表征物體在壁面外法線方向上的平均無量綱溫度梯度，其 大小反映了對流換熱的強(qiáng)弱；（2）雷諾數(shù)：Re 巴，表征流體粘性力與慣性力的相對大小，R越大, 慣性力的影響越大。根據(jù) R數(shù)的大小可以判斷流態(tài)； 動量擴(kuò)散能力與熱量擴(kuò)散能力的相對大?。?4) Gr (3)Pr是流體的物性特征數(shù)，表示流體 a 3 gu tl 2 ，表征浮升力與粘性力的相對大小, 反映自然對流換熱的強(qiáng)弱，G越大，浮升力的相對作用越大，自然對流越強(qiáng)。 13. 答

16、：努謝爾特準(zhǔn)數(shù)與畢渥準(zhǔn)數(shù)的表達(dá)形式完全相同，但具有不同的物理意義。畢渥準(zhǔn)數(shù)表示在 第三類邊界條件下的固體導(dǎo)熱熱阻與邊界處的對流換熱熱阻之比，表達(dá)式中的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)由第三 類邊界條件確定，導(dǎo)熱系數(shù)是固體的導(dǎo)熱系數(shù)，特征長度是反映固體導(dǎo)熱溫度場幾何特征的尺度； 而努謝爾特準(zhǔn)數(shù)表達(dá)式中的是待定參數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)是流體的導(dǎo)熱系數(shù)，反映對流換熱固體表面幾何 特征的尺度，如外掠平板對流換熱中為沿流動方向平板的長度。 14.解：(1)水：流動邊界層厚度1.2mm，熱邊界層厚度 t 0.774mm ； (2)空氣：流動邊界層厚度6.7mm，熱邊界層厚度 t 7.6mm ； 15. 解：(1 )當(dāng)x 0.1m, 0.2m, 0.3m，流動為層流，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別為 x 0.1m, hx 1336.5W /(m2.K); x 0.2m, hx 945.5W/(m2.K); x 0.3m,hx 771.6W /(