北京理工大學(xué)材料加工冶金傳輸原理期末試題AB試題及答案解析

1、WORD格式整理冶金傳輸原理試題（A ）參考答案一、名詞解釋（每題2分，共16分）1. 不壓縮流體：指流體密度不會隨壓強(qiáng)改變而變化，或該變化可忽略的流體。2. 速度邊界層：指在靠近邊壁處速度存在明顯差異的一層流體，即從速度為 零到0.99倍的地方稱為速度邊界層。-uL3. 雷諾準(zhǔn)數(shù)及其物理意義：Re二斗-，表征慣性力與粘性力之比。是流態(tài)的 判斷標(biāo)準(zhǔn)。4. 黑度（發(fā)射率）：實(shí)際物體的輻射力與相同溫度下黑體的輻射力之比稱為 物體的黑度，也叫發(fā)射率。5. 傅立葉準(zhǔn)數(shù)及其物理意義：Fo二葺，也稱時間準(zhǔn)數(shù)，表示非穩(wěn)定傳熱所s進(jìn)行的時間與其達(dá)到平衡狀態(tài)所需要的總時間之比；或T寸間內(nèi)非穩(wěn)態(tài)傳熱的傳熱量與其達(dá)

2、到穩(wěn)態(tài)（平衡）時傳輸?shù)目偀崃恐取?. 熱通量與傳質(zhì)通量：單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量稱為熱（量）通量； 單位時間通過單位面積的物質(zhì)量稱為傳質(zhì)通量。7. 角系數(shù)：由表面1投射到表面2的輻射能量Q之占離開表面1的總輻射能量Q1的份數(shù)稱為表面1對表面2的角系數(shù)，用符號12表示，即：12二d Q8. 流向傳質(zhì)與非流向傳質(zhì)：與流體流動方向相同的傳質(zhì)叫做流向傳質(zhì)；與流 體流向垂直的傳質(zhì)叫做非流向傳質(zhì)。二、填空題（每空1分，共19分）1 理想流體是指不存在 粘性力，或其作用可忽略的流體。2 氣體超音速射流產(chǎn)生過程中，氣體流股截面積先收縮后膨脹，壓強(qiáng)丄 斷降低。3 流場中流體各物理量只是 空間單一方向的函數(shù)

3、，稱一維流場4 固體壁面無滑移邊界條件是指 壁面速度與相接觸的流體層速度相等 ：而 無滲透邊值條件為 垂直于壁面方向流體速度為零 。5 如果流場中每點(diǎn)的物理量值都一致，則稱其為丄勻場；如果各點(diǎn)的物理量 值不隨時間而變化，則稱其為穩(wěn)態(tài)場。6 根據(jù)動量守恒定律，可以推導(dǎo)出納維-斯托克斯方程；根據(jù)能量守恒定律，可以推導(dǎo)出傳熱微分方程；根據(jù) 質(zhì)量守恒定律 則可以分別推導(dǎo)出 流體連續(xù)性方程方程和質(zhì)量傳輸微分方程。7 研究對流給熱的主要任務(wù)，就是求解對流給熱系數(shù) h?，F(xiàn)在求解h的方法 有四種，它們分別是邊界層微分方程組解析解、邊界層近似積分解、類 比律法、和相似理論指導(dǎo)下的實(shí)驗方法 。8 一般說來，固體的

4、導(dǎo)熱系數(shù) 大于（大于、等于、小于）液體，液體的導(dǎo) 熱系數(shù) 大于（大于、等于、小于）氣體；在固體中，通常金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大于（大于、小于、等于）非金屬，結(jié)晶物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)大于（大于、小于、等于）非晶物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；大多數(shù)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的 升高而降低（升高、降低、不變）。1.、選擇題（每題5分，共15 分）伯努利方程表達(dá)式錯誤的是2A.gz衛(wèi)匸常數(shù)B.Zi旦 Z2:g 2gg 2g專業(yè)資料值得擁有D.Pv2p2v2gZi焉y=gZ2g72. 單層圓筒壁內(nèi)外流經(jīng)物性和溫度均不同的流體1和流體2,那么該單層圓筒壁在第III類邊界條件下，一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的總熱阻為R滬 B 。A.丄丄lnh-i2 二d_

5、2dih2B.1hd丄2Tlnd2 .1d1h2 二 d2Lnzi =1lndi 1di2 二Llnd2d13. 已知環(huán)境流體對直徑為100mm的圓柱體的總對流給熱系數(shù)h為120W/（m2 ;C），圓柱體的平均導(dǎo)熱系數(shù)入為163 W/（m -C），比熱 Cp為440J/（kg C），密度 p 為 8800 kg/m3，則C。A因為體系的Bi = 0.07360.033,所以不能視為薄材。C 因為體系的Bi = 0.0368V0.1，所以可以視為薄材。D 因為體系的Biv = 0.07360.05,所以不能視為薄材四、簡答題（每題5分，共20 分）1. 流體流動過程主要受到哪幾類力的作用？各自常

6、見的力有哪些？ 流體主要受到體積力和表面力兩大類力的作用， 體積力常見的有：質(zhì)量力、 電磁力；表面力常見的有：粘性力和壓應(yīng)力。2. 請說明-yx的物理含義yx.1 duxdy yx首先是粘性應(yīng)力，由于x方向流動速度在y方向存在差異而產(chǎn)生于流 體內(nèi)部。下角標(biāo)y表示力的法向，x表示力的方向。 yx同樣代表粘性動量通量，此時下角標(biāo)y表示動量傳遞方向，x表示動量 的方向。3. 簡述對流給熱（換熱）的機(jī)理，為什么說邊界層導(dǎo)熱是對流給熱的限制性 環(huán)節(jié)？答：對流給熱是指流體流經(jīng)與之溫度不同的固體界面時，流體與固體之間 所發(fā)生的熱量傳輸現(xiàn)象，是對流傳熱和傳導(dǎo)傳熱的綜合結(jié)果。在流體與固體壁 面交界處存在（速度邊

7、界層和）溫度邊界層，溫度邊界層外近似無溫度梯度， 溫度梯度只存在于邊界層內(nèi)。對于層流邊界層，層與層之間沒有宏觀物質(zhì)傳輸， 傳熱主要依靠傳導(dǎo)傳熱，熱阻很大；湍流邊界層內(nèi)由于存在層流底層， 傳熱也 要依靠傳導(dǎo)傳熱，熱阻也很大。因此，邊界層導(dǎo)熱是對流給熱的限制性環(huán)節(jié)。4. 簡述氣體輻射與火焰輻射及其區(qū)別。答：氣體的輻射和吸收能力與其分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，對波長有明顯的選擇性， 因此氣體的輻射和吸收光譜是不連續(xù)的，支能吸收或輻射一定波長范圍的輻射 能，不同的氣體，波長范圍不同；另外氣體輻射屬于表面輻射。而實(shí)際火焰中 一般含有大量的固體顆粒，多是發(fā)光火焰，少有純凈氣體燃燒發(fā)出的不發(fā)光火 焰，因此在火焰輻射中起主

8、要作用的是炭黑、 灰塵等固體顆粒，這些固體顆粒 的輻射和吸收類似于固體輻射，可以在可見光譜和紅外光譜范圍內(nèi)連續(xù)發(fā)射輻 射能量，由此它們的光譜是連續(xù)的。WORD格式整理五、計算題（每題10分，共30分）1. 粘性系數(shù)=0.048Pas的流體流過兩平行平板的間隙，間隙寬 4mm ,u =（3 y）流體在間隙內(nèi)的速度分布為：，其中C為待定常數(shù)，y為垂直于平板的坐標(biāo)。設(shè)最大速度Umax 4m/s,試求最大速度在間隙中的位 置及平板壁面上的切應(yīng)力。解：1 ）由速度分布可知y坐標(biāo)原點(diǎn)位于下平板ducc門02 Ey y =0= ydy2即中心處u取最大值，在兩板中央取速度最大值（5分）將 y = /2代入速

9、度分布式Umaxd-、2丿=c=4Umax=4 4=16 m/s(7 分)dudy2y“048 164 曲2 n/m2專業(yè)資料值得擁有二 - 192(n /m 2)WORD格式整理（10分，能給出一個就給分。未求出 C值者扣2分）流體作用于上下平板的壁面切應(yīng)力都是192（n/m2）,且均指向流動方向，而正負(fù)號不同則源于應(yīng)力正負(fù)向的規(guī)定。2. “冰凍三尺，非一日之寒”。設(shè)若地表可以看作是半無限厚物體，溫度分布可表示為空=er? i,初始溫度為to=1OC，后受到冷空氣侵襲,12如丿地表溫度突然降為tw=-15C并維持不變。確定這種條件下，地面下 1m處 溫度降為0C所需的時間。已知：地表土壤土質(zhì)

10、均勻，土壤物性參數(shù)分別為：匸= 2050kg m-3,，= 0.52W m-1 C-1,Cp = 1840J kg-1 C-1 ;高斯誤差專業(yè)資料值得擁有函數(shù)表如下：erf(0.42)= 0.45erf(0.50)= 0.52erf(0.58)= 0.59erf(0.66)= 0.65erf(0.74)= 0.70 erf(0.44) = 0.47 erf(0.52) = 0.54 erf(0.60) = 0.60 erf(0.68) = 0.66 erf(0.76) = 0.72 erf(0.46) = 0.48 erf(0.54) = 0.55 erf(0.62) = 0.62 erf(0

11、.70) = 0.68 erf(0.78) = 0.73 erf(0.48) = 0.50 erf(0.56) = 0.57 erf(0.64) = 0.63 erf(0.72) = 0.69 erf(0.80) = 0.74解：依題意，地表的降溫可以看作是辦無限厚物體的導(dǎo)熱。地表土壤的 物性取為aw38 E宀所以有瓷（心0-匚一瓦即:10P (1比二 0 6查表得：由上面的分析可知當(dāng)?shù)乇頊囟群艿蜁r，地下還可以保持較高的溫度 所以將水管埋在地下可防止水結(jié)冰。3. 干空氣以5m/s的速度吹過O.3mx 0.3m的淺的盛水盤，在空氣溫度 30C、 水溫10C的條件下，已知水分子在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)D

12、=2.44 X0-5m2/so問：水的蒸發(fā)速率（g/s）是多少？（若空氣沿平板流動為層流，則有1141S0.664Re2Sc3;若空氣沿平板流動為湍流時，則 Sh= 0.0365R6TSC5）;不同溫度下物性參數(shù)如下：溫度，C102030動量擴(kuò)散系數(shù)n值，10-6 m2/sM4.1615.0616.00：水表面飽和水蒸氣的密度 p g/m39.40417.3130.40R 9解：以題意，v=5m/s，L=0.3m, tf =30T，tw=10C，D=2.44 X0- m /s 得知：tm 丄 如=30 10 =20 C,查得 20C條件下 n=15.06X 10-6 m2/s，2 2并求得:n

13、Sc 一D15.06 102.44 10= 0.6172v L 503.u心=15E=9.96 105 10，屬于層流，適用層流繞流平板準(zhǔn)數(shù)方程，于是有：k l114 11Sh0.664Re2Sc3 =0.664 9.96 10 2 0.61723 =178.4Dk=4=178.4 244 10#L0.3= 1.45 10 m/sn 二 k F 匸-1.45 10“ 0.3 0.39.404-0-1.227 10 經(jīng) g/s答：水的蒸發(fā)速率是1.227X 10-2 g/s冶金工程冶金傳輸原理試題（ B）名詞解釋（每題2分，共16分）1. 層流流體質(zhì)點(diǎn)在流動方向上分層流動，各層互不干擾和摻混，這

14、種流線呈平等狀 態(tài)的流動稱為層流。2. 表面力作用于流體微元界面（而非質(zhì)點(diǎn)）上的力，該力與作用面的大小成比例3. 粘性系數(shù)表征流體變形的能力，由牛頓粘性定律所定義的系數(shù)：，速度梯度duxdy為1時，單位面積上摩擦力的大小。4. 熱通量與傳質(zhì)通量：單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量稱為熱通量；單位時 間通過單位面積的物質(zhì)量稱為傳質(zhì)通量。5. 溫度梯度：在溫度場中某點(diǎn)P的溫度梯度定義為該點(diǎn)所在等溫面或等溫線 法線方向，單位長度上的溫度增量。6. 修伍德準(zhǔn)數(shù)的表達(dá)式：Sh二kc LDa t7. 傅立葉準(zhǔn)數(shù)的物理意義：Fo，傅立葉準(zhǔn)數(shù)又稱時間準(zhǔn)數(shù)，表征不穩(wěn)s態(tài)傳熱趨于穩(wěn)態(tài)的程度，或者說是不穩(wěn)態(tài)傳熱進(jìn)行的時間

15、與由不穩(wěn)態(tài)傳熱 達(dá)到穩(wěn)態(tài)所用總時間之比。8. 黑度（輻射率、發(fā)射率）：實(shí)際物體的輻射力與相同溫度下黑體的輻射力 之比稱為物體的黑度，也叫發(fā)射率、輻射率。1、填空題（每空1分，共19分）1. 一維圓管中的質(zhì)量守恒表達(dá)式為uA=（或 1u 1A2umJA 1 u A 2 U A2. 伯努力方程的物理意義是壓能、能、勢能總和守常。其積分式應(yīng)用條件是不可壓縮、沿流線、穩(wěn)態(tài)流、理想流體、只有重力場。3. 如果動量傳輸微分方程可以寫作-：VxCT:VxVx-:x2 2 2c vxC vxC vx+x+二 2 2 2 I fixcycz輸 微 分 方 程 可七gx 則熱量傳以 寫 作.:xVy-：Vx:y:

16、zcx2.2.2_dVx + 6 VxcyczJ廣廠2廠_2廣q2廠C CA + C CA + C CA 2 泳cycz+Vx紅十Vy匹+Vz西=a竺+2十竺+乩），質(zhì)量傳輸微分方 ct &cy血I馭內(nèi)z丿PCp 程可以寫作-C A- C A_ C A- C A +v + v + v =Da xyza-；y : z4. 影響流體對流給熱系數(shù)的因素可以歸結(jié)為四個方面。它們分別為：流體流速、流體的物性參數(shù)、流體溫度和和固體壁面的幾何形狀、尺寸。5. 一般說來，固體的導(dǎo)熱系數(shù) 大于（大于、等于、小于）液體，液體的導(dǎo) 熱系數(shù) 大于（大于、等于、小于）氣體；在固體中，通常金屬的導(dǎo)熱系 數(shù)比非金屬_大_

17、（大、小、等于），結(jié)晶物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)要比非晶物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù) 大（大、小、等于）；大多數(shù)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而 低_ （升高、降低、不變）。三、選擇題（每題5分，共15 分）4. 納維爾-斯托克斯方程表達(dá)式正確的為DA.如二 JX - J( d:-2 2Ux; U化2*:-:y-22 czB.二如=Pd:-2 -2 -2r-2魚+uy；y八如二:X -蘭d-羋X -蘭亠厶旦)f )八cV -2f 2r 2):z:-:-:y :zt(x x) _ t5. 如果半無限厚、無限大平壁的溫度分布可寫作A(x,.)-，有限to - t ft( x x) _ t厚、無限大平板的溫度分布可寫作B(x,

18、)-，無限長圓柱體的totf溫度分布可寫作c(rJ=罟，那么，一個半無限長圓柱體內(nèi)的溫度分布式可寫作c。A. A X BB. B X CC. A X CD. A X B X C6. 現(xiàn)有兩種保溫材料，要敷設(shè)在外徑為 0.025m的管道外層保溫。已知保溫 材料I的導(dǎo)熱系數(shù) I = 0.135 J/smC，保溫材料U的導(dǎo)熱系數(shù) n =0.090J/sm C，保溫層外表面與空氣的對流給熱系數(shù) h= 9 J/sm2 C。那么, 不管敷設(shè)厚度如何，只要敷設(shè)，f能對管道起到保溫作用。E. 保溫材料IF. 保溫材料UG. 保溫材料I和U兩者都H. 保溫材料I和U兩者都不四、簡答題(每題5分，共20 分)5.

19、 納維爾-斯托克斯方程和歐拉方程的應(yīng)用條件各是什么？N-S方程：不可壓縮、物性守常、粘性流體歐拉方程：無粘流體6. 什么是速度邊界層，邊界層的提出有何意義？指在靠近邊壁處速度存在明顯差異的一層流體，即從速度為零到0.99倍的 地方稱為速度邊界層。提出后對于湍流流動可分為主流區(qū)(無粘流動)和 邊界層流動，據(jù)各自方程可求速度，使原本不可求的流動問題可解。7. 在室內(nèi)溫度相同、穿著相同的條件下，為什么冬天的室內(nèi)比夏天的室內(nèi)讓 人感覺更冷？答：是因為人體與墻壁輻射換熱的作用。室內(nèi)氣溫相同、穿著相同的條件下，人的體溫大致相同。但冬天的墻壁溫度要低于夏天的墻壁溫度，冬天 人體通過輻射換熱傳給墻壁的熱量要比

20、夏天的大，因此會使人感覺更冷8. 分子擴(kuò)散傳質(zhì)與傳導(dǎo)傳熱的聯(lián)系與區(qū)別：兩者都是依靠物體之間相接觸時 分子或原子(基本粒子)之間的熱運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，在溫度差和濃度差同時 存在時，基本粒子之間的熱運(yùn)動可同時引起分子擴(kuò)散傳質(zhì)和傳導(dǎo)傳熱，這 是他們之間的聯(lián)系。區(qū)別是分子擴(kuò)散傳質(zhì)要發(fā)生宏觀物質(zhì)位移，而傳導(dǎo)傳 熱則沒有或可以忽略。因此溫度對分子擴(kuò)散傳質(zhì)和傳導(dǎo)傳熱的影響是不同 的。五、計算題(每題10分，共30 分) kh 亠1. 設(shè)靜止液體中密度隨深度h而增加，.0式中k為常數(shù)，0為上液面密度，試據(jù)運(yùn)動方程推導(dǎo)液體中壓強(qiáng)隨深度變化規(guī)律。並二 Jg 二 kh g dhh?02=0 kh gdh2k2. 用熱電

21、偶測量鋼水的溫度。已知鋼水的溫度為1650E，熱電偶插入鋼水前 的溫度為20C。熱電偶的接點(diǎn)可以看作是球形，直徑d = 1mm，密度p=7900kg/m3,等壓比熱 Cp=420 J/(kgC)，導(dǎo)熱系數(shù) 啟50 W/(m C)。熱電 偶接點(diǎn)與鋼水的對流換熱系數(shù) h = 3000 W/(m2C)。已知 薄材”的無量綱溫9f h F度計算公式為 =exp - 忑，求熱電偶測得鋼水溫度為1648C時90 PCpV 丿所需的時間。解：首先判斷熱電偶是否為 薄材”h r 3000 匯 0 5 匯10 ”Bi 一二訕3心，滿足薄材”勺條件，可以視為薄 材”根據(jù)薄材”的無量綱溫度計算公式可知日t -tf，

22、0to _ t f=exp BiV Fov二 expaV/F 2=exp仝4h Fto tf7900 420 0.5 10”，1648-1650In 3000 320-1650-0.1843 6.703= 1.24 s答：熱電偶測得鋼水溫度為1648 E時所需的時間為1.24s。3. 原始含炭量為0.10%碳的低碳鋼工件在950r溫度下表面滲碳，這時碳在 鋼中的平均擴(kuò)散系數(shù)為D=3.0 10-11m2/s,若在滲碳?xì)夥罩惺贡砻嫣紳舛萷維持在1.5%,已知半無限厚平 板分子 擴(kuò)散的濃度分 布可表 示為：度。P_PW0求:經(jīng)過5小時后距表面1.0mm深度處的碳濃erf(0.50)= 0.52050erf(0.