習題與作業(yè)5-6

1、第五章 對流換熱思考題1、在對流換熱過程中，緊靠壁面處總存在一個不動的流體層，利用該層就可以計算出交換的熱量，這完全是一個導熱問題，但為什么又說對流換熱是導熱與對流綜合作用的結果。答：流體流過靜止的壁面時，由于流體的粘性作用，在緊貼壁面處流體的流速等于零，壁面與流體之間的熱量傳遞必然穿過這層靜止的流體層。在靜止流體中熱量的傳遞只有導熱機理，因此對流換熱量就等于貼壁流體的導熱量，其大小取決于熱邊界層的厚薄，而它卻受到壁面流體流動狀態(tài)，即流動邊界層的強烈影響，故層流底層受流動影響，層流底層越薄，導熱熱阻越小，對流換熱系數h也就增加。所以說對流換熱是導熱與對流綜合作用的結果。2、試引用邊界層概念來分

2、析并說明流體的導熱系數、粘度對對流換熱過程的影響。答：依據對流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區(qū)域的導熱熱阻。層流邊界層的熱阻為整個邊界層的導熱熱阻。紊流邊界層的熱阻為層流底層的導熱熱阻。導熱系數越大，將使邊界層導熱熱阻越小，對流換熱強度越大；粘度越大，邊界層（層流邊界層或紊流邊界層的層流底層）厚度越大，將使邊界層導熱熱阻越大，對流換熱強度越小。3、由對流換熱微分方程知，該式中沒有出現流速，有人因此得出結論：表面?zhèn)鳠嵯禂礹與流體速度場無關。試判斷這種說法的正確性?  答：這種說法不正確，因為在描述流動的能量微分方程中，對流項含有流體速度，即要獲得流體的溫度場，必須先獲得其速度場，“流動與換

3、熱密不可分”。因此表面?zhèn)鳠嵯禂当嘏c流體速度場有關。4、試引用邊界層概念來分析并說明流體的導熱系數、粘度對對流換熱過程的影響。  答：依據對流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區(qū)域的導熱熱阻。層流邊界層的熱阻為整個邊界層的導熱熱阻。紊流邊界層的熱阻為層流底層的導熱熱阻。導熱系數越大，將使邊界層導熱熱阻越小，對流換熱強度越大；粘度越大，邊界層（層流邊界層或紊流邊界層的層流底層）厚度越大，將使邊界層導熱熱阻越大，對流換熱強度越小。5、對管內強制對流換熱，為何采用短管和彎管可以強化流體的換熱?  答：采用短管，主要是利用流體在管內換熱處于入口段溫度邊界層較薄，因而換熱強的特點，即所謂的“入

4、口效應”，從而強化換熱。而對于彎管，流體流經彎管時，由于離心力作用，在橫截面上產生二次環(huán)流，增加了擾動，從而強化了換熱。  6、其他條件相同時，同一根管子橫向沖刷與縱向沖刷相比，哪個的表面?zhèn)鳠嵯禂荡螅瑸槭裁矗? 答：橫向沖刷時表面?zhèn)鳠嵯禂荡?。因為縱向沖刷時相當于外掠平板的流動，熱邊界層較厚，而橫向沖刷時熱邊界層薄且存在由于邊界層分離而產生的旋渦，增加了流體的擾動，因而換熱強。 7、在地球表面某實驗室內設計的自然對流換熱實驗，到太空中是否仍然有效，為什么？  答：該實驗到太空中無法得到地面上的實驗結果。因為自然對流是由流體內部的溫度差從而引起密度差并在重力的作用下引

5、起的。在太空中實驗裝置格處于失重狀態(tài)，因而無法形成自然對流，所以無法得到頂期的實驗結果。 8、管束的順排和叉排是如何影響換熱的?  答：這是個相當復雜的問題,可簡答如下：叉排時,流體在管間交替收縮和擴張的彎曲通道中流動,而順排時則流道相對比較平直,并且當流速和縱向管間距s2較小時,易在管的尾部形成滯流區(qū).因此,一般地說,叉排時流體擾動較好,換熱比順排強.或：順排時，第一排管子正面受到來流的沖擊，故=0處換熱最為激烈，從第二排起所受到的沖擊變弱，管列間的流體受到管壁的干擾較小，流動較為穩(wěn)定。叉排時每排管子受到的沖擊相差不大，但由于流體的流動方向不斷改變，混合情況比順流好，一般情況下，差

6、排的平均換熱系數比順排時為大。  9、空氣沿豎板加熱自由流動時,其邊界層內的速度分布與空氣沿豎板受迫流動時有什么不同,為什么?  答：在自由流動時,流體被壁面加熱,形成自由流動邊界層.層內的速度分布與受迫流動時不相同.流體溫度在壁面上為最高,離開壁面后逐漸降到環(huán)境溫度,即熱邊界層的外緣,在此處流動也停止,因此速度邊界層和溫度邊界層的厚度相等,邊界層內的速度分布為,在壁面上及邊界層的外緣均等于零.因此在層內存在一個極大值(見圖1).受迫流動時,一般說速度邊界層和溫度邊界層的厚度不相等.邊界層內的速度分布為壁面處為零,.而外緣處為u(見圖2)。   10、試

7、討論在無限空間自由流動紊流換熱時對流換熱強度與傳熱面尺寸的關系,并說明此關系有何使用價值。  答：當在無限空間自由流動紊流換熱時,換熱面無論是豎壁、豎管、水平管或熱面向上的水平板,它們的對流換熱準則方程式 Nu=C(Gr.Pr)n中的指數n都是1/3,因此方程等式兩邊的定型尺寸可以消去,表明自由流動紊流換熱時,換熱系數與傳熱面尺寸(定型尺寸)無關.利用這自動?；卣?在自由流動紊流換熱實驗研究中, 可以采用較小尺寸的物體進行試驗,只要求實驗現象的GrPr值處于紊流范圍。  11、在對流溫度差大小相同的條件下,在夏季和冬季,屋頂天花板內表面的對流放熱系數是否相同?為什么? &

8、#160;答：在夏季和冬季兩種情況下,雖然它們的對流溫差相同,但它們的內表面的對流放熱系數卻不一定相等。原因:在夏季tftw,在冬季tftw,即在夏季,溫度較高的水平壁面在上,溫度較低的空氣在下,自然對流不易產生,因此放熱系數較低.反之,在冬季,溫度較低的水平壁面在上,而溫度較高的空氣在下,自然對流運動較強烈,因此,放熱系數較高。 課后習題5-2 對于油、空氣及液態(tài)金屬，分別有Pr>>1、Pr1、Pr<<1。試就外掠等溫平板時的層流邊界流動，畫出三種流體邊界層中速度分布與溫度分布的大致圖像。5-3 流體在兩平行平板間作層流充分發(fā)展的對流換熱（見附圖）。試畫出下列三種情形

9、下充分發(fā)展區(qū)域截面上的流體溫度分布曲線：（1）qw1= qw2；（2）qw1= 2qw2；（3）qw1= 0解：qw1= qw2 qw1= 2qw2 qw1= 05-7 取外掠平板邊界層的流動從層流轉變?yōu)橥牧鞯呐R界雷諾數（Rec）為5×105，試計算25的空氣、水及14 號潤滑油達到Rec 時所需的平板長度，取u=1m/s。解：25 時三種流體的運動粘性系數為： 水v = 0.9055×106m2 / s 、空氣v = 15.53×106m2 / s 、14 號潤滑油v = 313.7 ×106m2 / s達到臨界所需板長：水、空氣、油5-25 一常物性

10、的流體同時流過溫度與之不同的兩根直管1 與2，且d1=2d2，流動與換熱均已處于紊流充分發(fā)展區(qū)域。試確定在下列兩種情形下兩管內平均表面?zhèn)鳠嵯禂档南鄬Υ笮。海?）流體以同樣流速流過兩管；（2）流體以同樣的質量流量流過兩管。解：設流體是被加熱的，則以式（5-54）為基礎來分析時，有：對第一種情形，u1=u2，d1=2d2，則對第二種情形，m1=m2，d1=2d2，因為，所以當流體被冷卻時，因Pr 不進入對比的表達式，所以上述各式仍有效。5-42 溫度為0的冷空氣以6m/s 的流速平行的吹過一太陽能集熱器的表面。該表面呈方形，尺寸為1m×1m，其中一個邊與來流方向垂直，如果表面平均溫度為2

11、0，試計算由于對流所散失的熱量。解：定性溫度tm=(0+20)/2=10，=0.0251w/m·，v=14.16×10-6m2/s，Pr=0.705所以Nu = 0.664× (Re)0.5 (Pr)0.333 = 384.7 Q=1×9.66×20=193W5-51 一個優(yōu)秀的馬拉松長跑運動員可以在2.5h 內跑完全程（41842.8m）。為了估計他在跑步過程中的散熱損失，可以做這樣簡化：把人體看成高1.75m，直徑為0.35m 的圓柱體，皮膚溫度為柱體表面問題，取為31；空氣是靜止的，溫度為15，不計柱體兩端面的散熱，試據此估算一個馬拉松長

12、跑運動員跑完全程后的散熱量（不計出汗散熱部分）。解：平均速度u 4.649m/ s定性溫度tm=(31+15)/2=23，空氣的物性為：=0.0261w/m·，v=15.34×10-6m2/sPr=0.702所以Nu = 0.0266× (Re)0.805 = 295.5Q=Aht=3.1416×0.35×1.75×22×16=677.3W第六章 凝結與沸騰換熱思考題1、當蒸汽在豎壁上發(fā)生膜狀凝結時,分析豎壁高度h對放熱系數的影響。  答：當蒸汽在豎壁上發(fā)生膜狀凝結時,隨著豎壁高度的不同可能發(fā)生層流凝結放熱和紊流凝

13、結放熱。  (A)對層流來說:，可見,當l增加時,放熱系數h減小,h1/l1/4.從理論上分析,層流凝結放熱總以導熱方式為主.當l=0時,膜層厚度為0,這時的放熱達到最大值,隨著l的增加,膜層厚度也加厚,也即增加了導熱熱阻,所以放熱系數隨l增加而減小。  (B)對紊流而言:平均換熱系數 ,而Re與l也成正比,可見隨著l增加,放熱加強,從理論上分析,在紊流中紊流傳遞方式成為重要因素,因此,隨l增加紊流換熱得到加強。  2、為什么蒸氣中含有不凝結氣體會影響凝結換熱的強度?  答：不凝結氣體的存在，一方面使凝結表面附近蒸氣的分壓力降低，從而蒸氣飽和溫度降低，使

14、傳熱驅動力即溫差(ts-tw)減?。涣硪环矫婺Y蒸氣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。上述兩方面的原因使不凝結氣體存在大大降低了表面?zhèn)鳠嵯禂?，使換熱量降低。所以實際冷凝器中要盡量降低并排除不凝結氣體。  3、空氣橫掠管束時，沿流動方向管徘數越多，換熱越強，而蒸氣在水平管束外凝結時，沿液膜流動方向管束排數越多，換熱強度降低。試對上述現象做出解釋。  答：空氣外掠管束時，沿流動方向管徘數越多，氣流擾動增加，換熱越強。而蒸氣在管束外凝結時，沿液膜流動方向排數越多，凝結液膜越來越厚，凝結傳熱熱阻越來越大，因而換熱強度降低。  4、試述沸騰換熱過程中熱量

15、傳遞的途徑。  答：半徑RRmin的汽泡在核心處形成之后,隨著進一步地的加熱,它的體積將不斷增大,此時的熱量是以導熱方式輸入, 其途徑一是由汽泡周圍的過熱液體通過汽液界面輸入, 另一是直接由汽泡下面的汽固界面輸入,由于液體的導熱系數遠大于蒸汽,故熱量傳遞的主要途徑為前者。 當汽泡離開壁面升入液體后,周圍過熱液體繼續(xù)對它進行加熱,直到逸出液面,進入蒸汽空間。  5、兩滴完全相同的水滴在大氣壓下分別滴在表面溫度為120和400的鐵板上，試問滴在哪塊板上的水滴先被燒干，為什么?  答：在大氣壓下發(fā)生沸騰換熱時，上述兩水滴的過熱度分別是20和300，由大容器飽和沸騰曲線，

16、前者表面發(fā)生的是核態(tài)沸騰，后者發(fā)生膜態(tài)沸騰。雖然前者傳熱溫差小，但其表面?zhèn)鳠嵯禂荡?，從而表面熱流反而大于后者。所以水滴滴?20的鐵板上先被燒干。 課后習題6-7 立式氨冷凝器有外徑為50mm 的鋼管制成。鋼管外表面溫度為25。冷凝溫度為30，要求每根管子的氨凝結量為0.009kg/s，試確定每根管子的長度。解：設tw=25，tm=(25+30)/2=27.5，r=1145.8×103J/kg，l=600.2，l=2.11×10-4kg/m.s，=0.5105w/m·，由At=Gr，得L=(Gr)/(dt)設流動為層流，則代入L 的計算式，得L=3.293m；則h

17、=3986.6W/m2.KRe=1086<1600，故確為層流。6-12 壓力為1.013×105Pa 的飽和水蒸氣，用水平放置的壁溫為90的銅管來凝結。有下列兩種選擇：用一根直徑為10cm 的銅管或用10 根直徑為1cm 的銅管。試問：（1）這兩種選擇所產生的凝結水量是否相同？最多可以相差多少？（2）要使凝結水量的差別最大，小管徑系統應如何布置（不考慮容積因素）（3）上述結論與蒸汽壓力、銅管壁溫是否相關（保證兩種布置的其它條件相同）解：由公式（6-4）知，其它條件相同時又Q=hAt，At 相同，所以（1）小管徑系統的凝結水量最多可達大管徑情形的1.778 倍。（2）要達到最大

18、的凝結水量，小管徑系統應布置成每一根管子的凝結水量不落到其它管子上。（3）上述結論與蒸汽壓力、銅管壁溫無關。6-28 一直徑為3.5mm、長100mm的機械拋光的薄壁不銹鋼管，被置于壓力為1.013×105Pa 的水容器中，水溫已接近飽和溫度。對該不銹鋼管兩端通電以作為加熱表面。試計算當加熱功率為1.9w 和100w 時，水與鋼管表面間的表面?zhèn)鳠嵯禂怠＝猓寒擰=1.9w 時，這樣低的熱流密度仍處于自然對流換熱階段。設 t=0.6 ， 則tm=100.8 ， 物性值=0.6832w/m·，=0.293×10-6m2/s，Pr=1.743，=7.54×10-

19、4,根據表（5-12）Nu=0.53(GrPr)1/4=0.53×0.6832t（10292）1/4/0.0035=1042 w/ m2·q=t=1042×16=1667w/m2,與1728 差3.5%，在自然對流工況下， t (q)0.8 ，在物性基本不變時，正確的溫度值可按下列估算得到，t=1.6×（1728/1667）0.8=1.647，而 (t) ，所以=1042×（1.647/1.6）0.25=1050 w/ m2·當Q=100w 時， ，這時已進入核態(tài)沸騰區(qū)，采用式（6-17）得：得1.0684×10-3t=2.17×10-4q0.33，即q0.67×1.0684×10-3=2.17×10-4×（q/t），所以=10338 w/ m2·6-40 平均溫度為15、流速為1.5m/s 的冷卻水，流經外徑為32mm、內徑為28mm的水平放置的銅管。飽和壓力為0.0424×105Pa 的水蒸氣在銅管外凝結，管長1.5m。試計算每小時的凝結水量（銅管的熱阻不考慮）。解：本題中需