傳熱學(xué)第四版課后題答案第五章

1、第五章復(fù)習(xí)題1、試用簡明的語言說明熱邊界層的概念。答：在壁面附近的一個薄層內(nèi)，流體溫度在壁面的法線方向上發(fā)生劇烈變化，而在此薄層之外，流體的溫度梯度幾乎為零，固體表面附近流體溫度發(fā)生劇烈變化的這一薄層稱為溫度邊界層或熱邊界層。2、與完全的能量方程相比，邊界層能量方程最重要的特點是什么？答：與完全的能量方程相比，它忽略了主流方向溫度的次變化率，因此僅適用于邊界層內(nèi)，不適用整個流體。3、式（54）與導(dǎo)熱問題的第三類邊界條件式（217）有什么區(qū)別？答：（54） （211）式（54）中的h是未知量，而式（217）中的h是作為已知的邊界條件給出，此外（217）中的為固體導(dǎo)熱系數(shù)而此式為流體導(dǎo)熱系數(shù)，式（

2、54）將用來導(dǎo)出一個包括h的無量綱數(shù)，只是局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，而整個換熱表面的表面系數(shù)應(yīng)該把牛頓冷卻公式應(yīng)用到整個表面而得出。4、式（54）表面，在邊界上垂直壁面的熱量傳遞完全依靠導(dǎo)熱，那么在對流換熱中，流體的流動起什么作用？答：固體表面所形成的邊界層的厚度除了與流體的粘性有關(guān)外還與主流區(qū)的速度有關(guān)，流動速度越大，邊界層越薄，因此導(dǎo)熱的熱阻也就越小，因此起到影響傳熱大小5、對流換熱問題完整的數(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

3、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。基本概念與定性分析5-1 、對于流體外標(biāo)平板的流動，試用數(shù)量級分析的方法，從動量方程引出邊界層厚度的如下變化關(guān)系式： 解：對于流體外標(biāo)平板的流動，其動量方程為： 根據(jù)數(shù)量級的關(guān)系，主流方的數(shù)量級為1，y方線的數(shù)量級為則有 從上式可以看出等式左側(cè)的數(shù)量級為1級，那么，等式右側(cè)也是數(shù)量級為1級，為使等式是數(shù)量級為1，則必須是量級。 從量級看為級 量級 兩量的數(shù)量級相同，所以與成比例5-2、對于油、空氣及液

4、態(tài)金屬，分別有，試就外標(biāo)等溫平板的層流流動，畫出三種流體邊界層中速度分布和溫度分布的大致圖象（要能顯示出的相對大?。?。解：如下圖：5-3、已知：如圖，流體在兩平行平板間作層流充分發(fā)展對流換熱。求：畫出下列三種情形下充分發(fā)展區(qū)域截面上的流體溫度分布曲線：（1）；（2）；（3）。解：如下圖形：5-4、已知：某一電子器件的外殼可以簡化成如圖所示形狀。求：定性地畫出空腔截面上空氣流動的圖像。解：5-5、已知：輸送大電流的導(dǎo)線稱為母線，一種母線的截面形狀如圖所示，內(nèi)管為導(dǎo)體，其中通以大電流，外管起保護導(dǎo)體的作用。設(shè)母線水平走向，內(nèi)外管間充滿空氣。求：分析內(nèi)管中所產(chǎn)生的熱量是怎樣散失到周圍環(huán)境的。并定性地

5、畫出截面上空氣流動的圖像。解：散熱方式：（1）環(huán)形空間中的空氣自然對流（2）內(nèi)環(huán)與外環(huán)表面間的輻射換熱。 5-6、已知：如圖，高速飛行部件中廣泛采用的鈍體是一個軸對稱的物體。求：畫出鈍體表面上沿x方向的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大致圖像，并分析滯止點s附近邊界層流動的狀態(tài)。（層流或湍流）。解：在外掠鈍體的對流換熱中，滯止點處的換熱強度是很高的。該處的流動幾乎總處層流狀態(tài)，對流換熱的強烈程度隨離開滯止點距離的增加而下降。5-7溫度為80的平板置于來流溫度為20的氣流中假設(shè)平板表面中某點在垂直于壁面方向的溫度梯度為40，試確定該處的熱流密度邊界層概念及分析5-8、已知：介質(zhì)為25的空氣、水及14號潤滑油，

6、外掠平板邊界層的流動由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯撵`界雷諾數(shù)，。 求：以上三種介質(zhì)達到時所需的平板長度。解：（1）25的空氣 =15.53 = x=7.765m （2）25的水 x=0.45275m （3）14號潤滑油 x=156.85m5-9、已知：20的水以2m/s的流速平行地流過一塊平板，邊界層內(nèi)的流速為三次多項式分布。 求：計算離開平板前緣10cm及20cm處的流動邊界層厚度及兩截面上邊界層內(nèi)流體的質(zhì)量流量（以垂直于流動方向的單位寬度計）。解：20的水 （1）x=10cm=0.1m =19880.72 小于過渡雷諾數(shù). 按（522） 設(shè) =998.22=1.298 （2）x=20cm=0.2m =

7、39761.43 （為盡流） m 5-10、已知：如圖，兩無限大平板之間的流體，由于上板運動而引起的層流粘性流動稱為庫埃流。不計流體中由于粘性而引起的機械能向熱能的轉(zhuǎn)換。 求：流體的速度與溫度分布。 解：（1）動量方程式簡化為 ，y=0, u=0, y=H, ，為上板速度。平行平板間的流動。積分兩次并代入邊界條件得。 （2）不計及由于粘性而引起機械能向熱能的轉(zhuǎn)換，能量方程為：,對于所研究的情形，因而得，y=0,y=H,由此得。5-11、已知：如圖，外掠平板的邊界層的動量方程式為：。 求：沿y方向作積分（從y=0到）導(dǎo)出邊界層的動量積分方程。解：任一截面做y=0到的積分根據(jù)邊界層概念y故在該處則

8、有（1）其中由連續(xù)行方程可得所以.（2）又因為.（3）（1）（2）代入（3）故邊界層的動量積分方程為5-12、已知：、100的空氣以v=100m/s的速度流過一塊平板，平板溫度為30。 求：離開平板前緣3cm及6cm處邊界層上的法向速度、流動邊界層及熱邊界層厚度、局部切應(yīng)力和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、平均阻力系數(shù)和平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。 解：定性溫度 ,，。 （1）處， 動量邊界層厚度 比擬理論5-13來流溫度為20、速度為4m/s空氣沿著平板流動，在距離前沿點為2m處的局部切應(yīng)力為多大？如果平板溫度為50，該處的對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是多少？5-14實驗測得一置于水中的平板某點的切應(yīng)力為1.5Pa如果水溫

9、與平板溫度分別為15與60，試計算當(dāng)?shù)氐木植繜崃髅芏?-15溫度為160、流速為4m/s的空氣流過溫度為30的平板在離開前沿點為2m處測得局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為149試計算該處的之值5-16、已知：將一塊尺寸為的薄平板平行地置于由風(fēng)洞造成的均勻氣體流場中。在氣流速度的情況下用測力儀測得，要使平板維持在氣流中需對它施加0.075N的力。此時氣流溫度，平板兩平面的溫度。氣體壓力為。 求：試據(jù)比擬理論確定平板兩個表面的對流換熱量。解：，邊界層中空氣定性溫度為70， 物性： 利用Chilton-Colburn比擬： 。這說明Chilton-Colburn比擬對層流運動也是適用的，即適用于平均值也適用于局部

10、值。工程應(yīng)用5-17一飛機在10000m高空飛行，時速為600km/h該處溫度為-40把機翼當(dāng)成一塊平板，試確定離開機翼前沿點多遠(yuǎn)的位置上，空氣的流動為充分發(fā)展的湍流？空氣當(dāng)作干空氣處理5-18將一條長度為原型1/4的潛水艇模型放在一閉式風(fēng)洞中進行阻力試驗潛水艇水下的最大航速為16m/s，風(fēng)洞內(nèi)氣體的壓力為，模型長3m，使確定試驗時最大的風(fēng)速應(yīng)為多少？潛水艇在水下工作，風(fēng)洞中的阻力試驗結(jié)果能否用于水下工作的潛水艇？5-19一火車以25m/s的速度前進，受到140N的切應(yīng)力它由1節(jié)機車及11節(jié)客車車廂組成將每節(jié)車廂都看成是由四個平板所組成，車廂的尺寸為9m（長）（寬）不計各節(jié)車廂間的間隙，車外空氣溫度為35，車廂外表面溫度為20試估算該火車所需的制冷負(fù)荷5-20在一熱處理工程中將一塊尺寸為平板置于30的空氣氣流中，空氣流速為1.2m/s作用在平板