考研真題--傳熱學復習(習題與解答)

1、傳熱學復習題及其答案（部分）一、 概念題1、試分析室內暖氣片的散熱過程，各個環(huán)節(jié)有哪些熱量傳遞方式？以暖氣片管內走熱水為例。答：有以下?lián)Q熱環(huán)節(jié)及傳熱方式：（1） 由熱水到暖氣片管道內壁，熱傳遞方式為強制對流換熱；（2） 由暖氣片管道內壁到外壁，熱傳遞方式為固體導熱；（3） 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。2、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(huán)節(jié)有哪些熱量傳遞方式？答：有以下?lián)Q熱環(huán)節(jié)及傳熱方式：（1） 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；（2） 墻的內壁到外壁，熱傳遞方式為固體導熱；（3） 墻的外壁到室外空氣，熱傳遞方式

2、有對流換熱和輻射換熱。3、何謂非穩(wěn)態(tài)導熱的正規(guī)階段？寫出其主要特點。答：物體在加熱或冷卻過程中，物體內各處溫度隨時間的變化率具有一定的規(guī)律，物體初始溫度分布的影響逐漸消失，這個階段稱為非穩(wěn)態(tài)導熱的正規(guī)階段。4、分別寫出Nu、Re、Pr、Bi數(shù)的表達式，并說明其物理意義。答：（1）努塞爾(Nusselt)數(shù)，它表示表面上無量綱溫度梯度的大小。（2）雷諾(Reynolds)數(shù)，它表示慣性力和粘性力的相對大小。（3）普朗特數(shù)，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)，它表示導熱體內部熱阻與外部熱阻的相對大小。5、豎壁傾斜后其凝結換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是增加還是減?。繛槭裁?？。答：豎壁傾斜后

3、，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?zhèn)鳠嵯禂?shù)減小。另外，從表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)公式知，公式中的亦要換成，從而h減小。6、按照導熱機理，水的氣、液、固三種狀態(tài)中那種狀態(tài)的導熱系數(shù)最大？答：根據(jù)導熱機理可知，固體導熱系數(shù)大于液體導熱系數(shù)；液體導熱系數(shù)大于氣體導熱系數(shù)。所以水的氣、液、固三種狀態(tài)的導熱系數(shù)依次增大。7、熱擴散系數(shù)是表征什么的物理量？它與導熱系數(shù)的區(qū)別是什么？答：熱擴散率 ，與導熱系數(shù)一樣都是物性參數(shù)，它是表征物體傳遞溫度的能力大小，亦稱為導溫系數(shù)，熱擴散率取決于導熱系數(shù) 和 的綜合影響；而導熱系數(shù)是反映物體的導熱能力大小的物性參數(shù)。一般情況下，穩(wěn)

4、態(tài)導熱的溫度分布取決于物體的導熱系數(shù)，但非穩(wěn)態(tài)導熱的溫度分布不僅取決于物體的導熱系數(shù)，還取決于物體的導溫系數(shù)。8、集總參數(shù)法的適用條件是什么？滿足集總參數(shù)法的物體，其內部溫度分布有何特點？答：集總參數(shù)法的適用條件是Bi0.1，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(shù)，而與位置無關。9、灰體的含義？答：灰體是指物體單色輻射力與同溫度黑體單色輻射力隨波長的變化曲線相似，或它的單色發(fā)射率不隨波長變化的物體；或單色吸收比與波長無關的物體，即單色吸收比為常數(shù)的物體。10、漫射表面？答：通常把服從蘭貝特定律的表面稱為漫射表面，即該表

5、面的定向輻射強度與方向無關?；蛭矬w發(fā)射的輻射強度與方向無關的性質叫漫輻射，具有這樣性質的表面稱為漫射表面。11、氣體的熱邊界層與流動邊界層的相對大?。看穑河捎?，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。12、沸騰換熱的臨界熱流密度的含義是什么？答：在泡態(tài)沸騰階段時，液體溫度與壁面溫度之差若進一步增大，汽泡在表面上生成、長大，隨后引因浮力作用而離開表面。沸騰的液體主體溫度這時有一定的過熱度，故汽泡通過液體層時還會繼續(xù)被加熱、膨脹，直到逸出液面，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。

6、當進一步增大時，熱流密度又開始下降。13、影響強制對流換熱的表面換熱系數(shù)的因素有哪些？答：影響強制對流換熱的表面換熱系數(shù)的因素有流態(tài)、流體的物性、換熱表面的幾何因素等，用函數(shù)表示為。14、；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(fā)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(fā)器處于更低的溫度。所以，結霜的冰箱的耗電量要大。15、分別寫出Bi、Nu、Fo 、Pr數(shù)的表達式，并說明Bi物理意義。答：（1）畢渥數(shù)，它表示導熱體內部導熱熱阻與外部對

7、流換熱熱阻的相對大小。（2）努塞爾數(shù)，它表示壁面附近流體無量綱溫度梯度的大小，反映對流換熱過程的強度。（3）傅立葉數(shù)，它表示非穩(wěn)態(tài)導熱過程的無量綱時間。（4）普朗特數(shù)，它表示動量擴散和能量擴散的相對大小，是反映流動邊界層厚度和熱邊界層厚度的相對大小。16、圓管臨界熱絕緣直徑與哪些因素有關？答：圓管臨界熱絕緣直徑，根據(jù)公式加以分析（略）。17、為什么珠狀凝結表面換熱系數(shù)比膜狀凝結表面換熱系數(shù)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

8、時壁面的部分表面與蒸汽直接接觸，因此，換熱速率遠大于膜狀凝結換熱。18、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??；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?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低。19、空氣橫掠垂直管束時，沿流動方向管排數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)越多，凝

9、結液膜越厚，凝結換熱熱阻越大，換熱強度降低。20、寫出時間常數(shù)的表達式，時間常數(shù)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(shù)的表達式為，是從非穩(wěn)態(tài)導熱問題中定義出來的，它不僅取決于幾何參數(shù)和物性參數(shù)，還取決于換熱條件h。21、什么是物體表面的發(fā)射率？它與哪些因素有關？答：實際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力之比稱為該物體的發(fā)射率，物體的發(fā)射率只取決于物體的表面特性（物體的種類、表面狀況和溫度），而與外界條件無關。22、什么是物體表面的吸收比（率）？它與哪些因素有關？答：物體對投入輻射所吸收的百分數(shù)稱為該物體的吸收比（率），物體的吸收比（率）只取決于物體的表面特性（物體的種類、表

10、面狀況和溫度），對于全波長的特性還與投射能量的波長分布有關關。23、何謂遮熱板（罩）？答：插入兩個輻射換熱表面之間的用于削弱兩個表面之間輻射換熱的薄板或罩。24、黑體輻射包括哪幾個定律？答：普朗克定律、維恩位移定律、斯蒂芬玻爾茲曼定律、蘭貝特定律。25、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(shù)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(shù)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。26、下列三種關聯(lián)式描述的是那種對流換熱？，答：描述的是無相變的強

11、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。27、寫出輻射換熱中兩表面間的平均角系數(shù)的表達式，并說明其物理意義。答：平均角系數(shù)X1,2= ，它表示A1表面發(fā)射出的輻射能中直接落到另一表面A2上的百分數(shù)。或者它表示離開A1表面的輻射能中直接落到另一表面A2上的百分數(shù)。28、表面輻射熱阻答：當物體表面不是黑體時，該表面不能全部吸收外來投射的輻射能量，這相當于表面存在熱阻，該熱阻稱為表面輻射熱阻，常以來表示。29、有效輻射答：單位時間內離開單位面積的總輻射能為該表面的有效輻射J，它包括輻射表面的自身的輻射E和該表面對投射輻射G的反射輻射，即。3

12、0、換熱器的污垢熱阻答：換熱設備運行一段時間以后，在管壁產生污垢層，由于污垢的導熱系數(shù)較小，熱阻不可以忽略，這種由于污垢生成的產生的熱阻稱為污垢熱阻。31、在寒冷的北方地區(qū)，建房用磚采用實心磚還是多孔的空心磚好？為什么？答：采用空心磚較好，因為空心磚內部充滿著空氣，而空氣的導熱系數(shù)相對較小，熱阻較大，空心磚導熱性較之實心磚差，同一條件下空心磚的房間的散熱量小保溫性好。32、下列材料中導熱系數(shù)最大的是（ 純銅 ）(a) 純銅 (b)純鐵 (c)黃銅 (d)天然金剛石33、什么是雷諾類比律（寫出表達式）？它的應用條件是什么？答：雷諾類比率：，條件：Pr=1，34、下列工質的普朗特數(shù)最小的是（液態(tài)金

13、屬）(a)水 (b) 空氣 (c)液態(tài)金屬 (d)變壓器油35、為什么多層平壁中的溫度分布曲線不是一條連續(xù)的直線而是一條折線？36、對管殼式換熱器來說，兩種工質在下列哪種情況下，何種工質走管內，何種工質走管外？(1) 清潔的和不清潔的工質(2)腐蝕性大與小的工質(3)高溫與低溫的工質答：（1）不清潔流體應在管內，因為殼側清洗比較困難，而管內可以拆開端蓋進行清洗；（2）腐蝕性大的流體走管內，因為更換管束的代價比更換殼體要低，且如將腐蝕性大的流體走殼程，被腐蝕的不僅是殼體，還有管子外側。（3）溫度低的流體置于殼側，這樣可以減小換熱器的散熱損失。37、北方深秋季節(jié)的清晨，樹葉葉面上常常結霜。試問樹葉

14、上、下表面的哪一面上容易結霜？為什么？答：霜會容易結在樹葉的上表面，因為樹葉上表面朝向太空，而太空表面的溫度會低于攝氏零度；下表面朝向地面，而地球表面的溫度一般在零度以上。相對于下表面來說，樹葉上表面向外輻射熱量較多，溫度下降的快，一旦低于零度時便會結霜。38、什么是物體的發(fā)射率和吸收率？二者在什么條件下相等？答：實際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比稱為該物體的發(fā)射率；投射到物體表面的總能量中被吸收的能量所占的份額是物體的吸收率。由基爾霍夫定律可知：當物體表面為漫灰表面時，二者相等。39、窗玻璃對紅外線幾乎是不透過的，但為什么隔著玻璃曬太陽卻使人感到暖和？ 答：窗玻璃對紅外線幾乎不透過，

15、但對可見光則是可透過的，當隔著玻璃曬太陽時，太陽光可以穿過玻璃進入室內，而室內物體發(fā)出的紅外線卻被阻隔在室內，因房間內溫度越來越高，從而感到暖和。40、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(shù)為流體的導熱系數(shù)，而且表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h是未知的；后者的導熱系數(shù)為固體的導熱系數(shù)，而且表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h是已知的。41、寫出豎平壁上膜狀凝結的冷凝雷諾數(shù)的表達式。答：冷凝雷諾數(shù)：, 或者，其中42、為什么用電加熱時容易發(fā)生電熱管壁被燒毀的現(xiàn)象？而采用蒸汽加熱時則不會？答：用電加熱時，加熱方

16、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(wěn)定的膜態(tài)沸騰，使得表面溫度快速上升，當超過壁面得燒毀溫度時，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。43、用熱電偶監(jiān)測氣流溫度隨時間變化規(guī)律時，應如何選擇熱電偶節(jié)點的大?。看穑涸谄渌鼦l件相同時，熱電偶節(jié)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(jié)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(jié)點大的熱電

17、偶在相同的時間內吸收熱量所產生的溫升要小一些。由定義知，為節(jié)點的半徑，顯然，節(jié)點半徑越小，時間常數(shù)越小，熱電偶的相應速度越快。44、由導熱微分方程可知，非穩(wěn)態(tài)導熱只與熱擴散率有關，而與導熱系數(shù)無關。你認為對嗎？答：由于描述一個導熱問題的完整數(shù)學表達，不僅包括控制方程，還包括定解條件。雖然非穩(wěn)態(tài)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(shù)。因此，上述觀點不正確。45、由對流換微分方程可知，該式中沒有出現(xiàn)流速，有人因此認為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)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

18、換熱中流動與換熱是密不可分的。因此，對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流體速度有關。46、什么是等溫線？在連續(xù)的溫度場中，等溫線的特點是什么？47.大平壁在等溫介質中冷卻的冷卻率與哪些因素有關48、何謂集總參數(shù)法？其應用的條件是什么？應怎樣選擇定型尺寸？49、寫出計算一維等截面直肋散熱量的公式。50、簡述遮熱罩削弱輻射換熱的基本思想。51、判定兩個物理現(xiàn)象相似的條件是什么？52、試述強化管內流體對流換熱采用的方法，并簡述理由。53、寫出輻射換熱中兩表面間的平均角系數(shù)的表達式，并說明其物理意義。54、影響膜狀凝結換熱的主要熱阻是什么？55、大空間飽和沸騰有哪三種狀態(tài)？什么是沸騰換熱的臨界熱負荷？56、寫出

19、傅立葉定律的數(shù)學表達式，并解釋其物理意義。57、簡要說明太陽能集熱器采用的選擇性表面應具備的性質和作用原理。58、試用傳熱學理論解釋熱水瓶的保溫原理。 二、計算題（一）計算題解題方略1、穩(wěn)態(tài)導熱問題（1）截面直肋肋片的傳熱量和肋端溫度的求解。（1）（2）（3）（4）（5）（6）（2）單層及多層平壁在第三類邊界條件（7）（8）（9）下導熱問題的計算，（3）單層及多層圓筒壁在第三類邊界條件下導熱每米供熱管道的散熱損失2、非穩(wěn)態(tài)導熱問題（1）集總參數(shù)法求解任意形狀物體（如熱電偶）的瞬態(tài)冷卻或加熱問題。（2）公式法或諾謨圖法求解任意形狀物體（如熱電偶或平板）的瞬態(tài)冷卻或加熱問題。3、對流換熱問題（1）

20、外掠平板或管內強制對流換熱問題在不同流態(tài)下的換熱分析及計算。（2）橫掠單管或管束的自然或強制對流換熱問題的計算。4、輻射換熱問題（1）兩個和三個非凹面組成的封閉腔體，各個表面之間的輻射換熱問題的計算，（2）兩個平行平板之間的輻射換熱問題的計算。5、注意事項（1） 對流換熱問題中，當流體為氣流時，有時需要同時考慮對流和輻射換熱；（2） 對于長直的園管換熱問題，往往要計算單位管長的換熱量；（3） 對于管內強迫對流換熱問題，應注意層流和紊流時的實驗關聯(lián)式的選取，而且流體定性溫度的在不同邊界條件下（如常壁溫和常熱流邊界條件）確定方法有兩種：算數(shù)平均法和對數(shù)平均法。（4） 注意多個非凹面組成的封閉腔體，

21、各個表面之間的輻射換熱問題的計算中的某個表面的凈輻射熱量與任意兩個表面之間的輻射換熱量的區(qū)別與聯(lián)系。（二）計算題例題1、室內一根水平放置的無限長的蒸汽管道， 其保溫層外徑d=583 mm，外表面實測平均溫度及空氣溫度分別為 ，此時空氣與管道外表面間的自然對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=3.42 W /(m2 K), 墻壁的溫度近似取為室內空氣的溫度，保溫層外表面的發(fā)射率問：（1） 此管道外壁的換熱必須考慮哪些熱量傳遞方式； （2）計算每米長度管道外壁的總散熱量。(12分)解：（1）此管道外壁的換熱有輻射換熱和自然對流換熱兩種方式。（2）把管道每米長度上的散熱量記為當僅考慮自然對流時，單位長度上的自然

22、對流散熱近似地取墻壁的溫度為室內空氣溫度，于是每米長度管道外表面與室內物體及墻壁之間的輻射為：總的散熱量為 x t O 2、如圖所示的墻壁，其導熱系數(shù)為50W/(mK),厚度為50mm，在穩(wěn)態(tài)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。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：3、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(shù)為0.15W/(mK)的絕緣層。限定絕緣層的最高溫度為650C，絕緣層的外表面溫度受環(huán)境

23、影響，假設為400C。試確定該導線的最大允許電流為多少？解：(1)以長度為L的導線為例，導線通電后生成的熱量為,其中的一部分熱量用于導線的升溫，其熱量為：一部分熱量通過絕熱層的導熱傳到大氣中，其熱量為：。根據(jù)能量守恒定律知：即(2)當導線達到最高溫度時，導線處于穩(wěn)態(tài)導熱，4、解：以長度為L的導線為例，通電后生成的熱量為I2RL。所生成的熱量，一部分通過絕緣層以導熱方式傳遞到大氣中，另一部分熱量則用于導線溫度的升高。(1) 導熱熱量(2) 溫度的升高所需要的熱量(3)根據(jù)能量守恒定律有：(4)當時，導線處于最高溫度。于是，即4、初溫為250C的熱電偶被置于溫度為2500C的氣流中，設熱電偶節(jié)點可

24、以近似看成球形，要使其時間常數(shù)，問熱節(jié)點的直徑為多大？忽略熱電偶引線的影響，且熱節(jié)點與氣流間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h=300W /(m2 K)，熱節(jié)點材料的物性參數(shù)為：導熱系數(shù)為20W/(mK)，如果氣流與熱節(jié)點間存在著輻射換熱，且保持熱電偶時間常數(shù)不變，則對所需熱節(jié)點直徑大小有和影響？解：（1）解：由于熱電偶的直徑較小，一般滿足集總參數(shù)條件，時間常數(shù)為,故熱電偶直徑：驗證畢渥數(shù)Bi是否滿足集總參數(shù)法： 滿足集總參數(shù)法條件。(2)若熱節(jié)點與氣流間存在輻射換熱，則總的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h（包括對流和輻射）將增加，由知，要保持不變，可以使增加，即熱節(jié)點的直徑增加。5、空氣以10m/s速度外掠0.8m長的平板，

25、故熱電偶的直徑：驗證Bi數(shù)是否滿足集總參數(shù)法：說明上述假設是正確的。5、空氣以10m/s速度外掠0.8m的長平板，,，計算該平板在臨界雷諾數(shù)下的、全板平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及換熱量。（層流時平板表面局部努塞爾數(shù)，紊流時平板表面局部努塞爾數(shù)，板寬為1m，已知，定性溫度時的物性參數(shù)為：，）解：(1)根據(jù)臨界雷諾數(shù)求解由層流轉變到紊流時的臨界長度,此時空氣得物性參數(shù)為：，由于板長是0.8m，所以，整個平板表面的邊界層的流態(tài)皆為層流(2)板長為0.8m時，整個平板表面的邊界層的雷諾數(shù)為：解：臨界長度由于板長為0.8m，所以整個平板表面的流動邊界層流態(tài)皆為層流。此時當平板長度為0.8m時，雷諾數(shù)全板平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù): 全板平均表面換熱量6、如圖所示為真空輻射爐，球心處有一黑體加熱元件，試指出，黑體對A、B、C三處中何處定向輻射強度最大？何處輻射熱流最大？假設A、B、C三處對球心所張的立體角相同。解：（1）由黑體輻射的蘭貝特定律知，黑體的定向輻射強度與方向無關，故(2) 對于A、B、C三處，由于立體角相同，且由蘭貝特定律知，A處輻射力最大，即A處輻射熱流最大；C處輻射力最小，即C處輻射熱流最小。7、試證明：在兩個平行平板之間加上 塊遮熱板后，輻射換熱量將減小到無遮熱板時的 。假設各板均為漫灰表面，且發(fā)射率相同，皆為，板的面積皆為A。證明：(1)無遮熱板時，對兩個無限長的平板來說，所以(2)有塊