【未知高?！總鳠釋W(xué)典型習(xí)題詳解

1、緒論部分 一、基本概念主要包括導(dǎo)熱、對(duì)流換熱、輻射換熱的特點(diǎn)及熱傳遞方式辨析。1、冬天，經(jīng)過在白天太陽底下曬過的棉被，晚上蓋起來感到很暖和，并且經(jīng)過拍打以后，效果更加明顯。試解釋原因。答：棉被經(jīng)過晾曬以后，可使棉花的空隙里進(jìn)人更多的空氣。而空氣在狹小的棉絮空間里的熱量傳遞方式主要是導(dǎo)熱，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小(20，1.01325×105Pa時(shí)，空氣導(dǎo)熱系數(shù)為0.0259W/(m·K)，具有良好的保溫性能。而經(jīng)過拍打的棉被可以讓更多的空氣進(jìn)入，因而效果更明顯。2、夏季在維持20的室內(nèi)工作，穿單衣感到舒適，而冬季在保持22的室內(nèi)工作時(shí)，卻必須穿絨衣才覺得舒服。試從傳熱的觀點(diǎn)分

2、析原因。答：首先，冬季和夏季的最大區(qū)別是室外溫度的不同。夏季室外溫度比室內(nèi)氣溫高，因此通過墻壁的熱量傳遞方向是出室外傳向室內(nèi)。而冬季室外氣溫比室內(nèi)低，通過墻壁的熱量傳遞方向是由室內(nèi)傳向室外。因此冬季和夏季墻壁內(nèi)表面溫度不同，夏季高而冬季低。因此，盡管冬季室內(nèi)溫度(22)比夏季略高(20)，但人體在冬季通過輻射與墻壁的散熱比夏季高很多。根據(jù)上題人體對(duì)冷感的感受主要是散熱量的原理，在冬季散熱量大，因此要穿厚一些的絨衣。3、試分析室內(nèi)暖氣片的散熱過程，各環(huán)節(jié)有哪些熱量傳遞方式？以暖氣片管內(nèi)走熱水為例。答：有以下?lián)Q熱環(huán)節(jié)及熱傳遞方式(1)由熱水到暖氣片管到內(nèi)壁，熱傳遞方式是對(duì)流換熱(強(qiáng)制對(duì)流)；(2)

3、由暖氣片管道內(nèi)壁至外壁，熱傳遞方式為導(dǎo)熱；(3)由暖氣片外壁至室內(nèi)環(huán)境和空氣，熱傳遞方式有輻射換熱和對(duì)流換熱。4、冬季晴朗的夜晚，測(cè)得室外空氣溫度t高于0，有人卻發(fā)現(xiàn)地面上結(jié)有層簿冰，試解釋原因(若不考慮水表面的蒸發(fā))。 解：如圖所示。假定地面溫度為了Te，太空溫度為Tsky，設(shè)過程已達(dá)穩(wěn)態(tài)，空氣與地面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h，地球表面近似看成溫度為Tc的黑體，太空可看成溫度為Tsky的黑體。則由熱平衡：，由于Ta0，而Tsky0，因此，地球表面溫度Te有可能低于0，即有可能結(jié)冰。二、定量計(jì)算本節(jié)的定量計(jì)算主要是利用熱量傳遞的三種基本方式所對(duì)應(yīng)的定律，即導(dǎo)熱的傅里葉定律，對(duì)流換熱的牛頓冷卻公式，熱輻

4、射的斯蒂藩玻耳茲曼定律進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。另外，傳熱過程、熱阻綜合分析法及能量守恒定律也是較重要的內(nèi)容。1、一雙層玻璃窗，寬1.1m，高1.2m，厚3mm，導(dǎo)熱系數(shù)為1.05W/(m·K)；中間空氣層厚5MM，設(shè)空氣隙僅起導(dǎo)熱作用，導(dǎo)熱系數(shù)為0.026W/(m·K)。室內(nèi)空氣溫度為25。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為20W/(m2·K)；室外空氣溫度為-10，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為15 W/(m2·K)。試計(jì)算通過雙層玻璃窗的散熱量，并與單層玻璃窗相比較。假定在兩種情況下室內(nèi)、外空氣溫度及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相同。解：(1)雙層玻璃窗情形，由傳熱過程計(jì)算式：(2)單層玻璃窗情形：顯然，單層

5、玻璃竊的散熱量是雙層玻璃窗的2.6倍。因此，北方的冬天常常采用雙層玻璃窗使室內(nèi)保溫。2、一外徑為0.3m，壁厚為5mm的圓管，長(zhǎng)為5m，外表面平均溫度為80。200的空氣在管外橫向掠過，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為80W/(m2·K)。入口溫度為20的水以0.1m/s的平均速度在管內(nèi)流動(dòng)。如果過程處于穩(wěn)態(tài)，試確定水的出口溫度。水的比定壓熱容為4184J/(kg·K)，密度為980kg/m3。解：(1)管外空氣與管子之間的對(duì)流換熱量：(2)由于過程處于穩(wěn)態(tài)，管外空氣所加的熱量由管內(nèi)水帶走，因此，其中Ac為管內(nèi)流通截面積。故出口溫度為：3、白天，地球表面接受來自太陽的輻射熱流密度為669W/

6、m2。設(shè)地表空氣與地面向的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為30 W/(m2·K)，空氣溫度為20。設(shè)地球可以看成黑體表面，且地球?qū)μ盏妮椛淇煽闯墒菍?duì)0K黑體空間的輻射。試確定地球表面的平衡溫度。解：由熱平衡關(guān)系，地球接受來自太陽的輻射熱量以兩種方式散掉，即與空氣的對(duì)流換熱及與太空的輻射換熱，設(shè)過程為穩(wěn)態(tài)，有：。將 代入上式，得 導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)及穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱部分一、基本概念本節(jié)的基本概念主要包括對(duì)傅里葉定律的理解，導(dǎo)熱系數(shù)的主要特點(diǎn)與性質(zhì)，建立物理問題所對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)描寫及相應(yīng)的求解方法，邊界條件的處理，利用幾種典型幾何形狀物理問題解的特點(diǎn)繪制溫度場(chǎng)的分布曲線，利用熱阻分析方法分析實(shí)際的物理問題，能處理變導(dǎo)熱系

7、數(shù)的影響，以及利用肋片導(dǎo)熱的特點(diǎn)分析問題的實(shí)質(zhì)。1、一維無內(nèi)熱源、平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的溫度場(chǎng)如圖所示。試說明它的導(dǎo)熱系數(shù)是隨溫度增加而增加，還是隨溫度增加而減小? 答:由傅立葉里葉定律，圖中隨x增加而減小，因而隨2增加x而增加，而溫度t隨x增加而降低，所以導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度增加而減小。2、如圖所示的雙層平壁中，導(dǎo)熱系數(shù)1，2為定值，假定過程為穩(wěn)態(tài)，試分析圖中三條溫度分布曲線所對(duì)應(yīng)的1和2的相對(duì)大小。答：由于過程是穩(wěn)態(tài)的，因此在三種情況下，熱流量分別為常數(shù)，即：所以對(duì)情形：；同理，對(duì)情形：；對(duì)情形：。3、在寒冷的北方地區(qū)，建房用磚采用實(shí)心磚還是多孔的空心磚好?為什么?答：在其他條件相同時(shí)，實(shí)心磚材料如紅磚

8、的導(dǎo)熱系數(shù)約為05W/(m·K)(35)，而多孔空心磚中充滿著不動(dòng)的空氣，空氣在純導(dǎo)熱(即忽略自然對(duì)流)時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)很低，是很好的絕熱材料。因而用多孔空心磚好。4、兩種幾何尺寸完全相同的等截面直肋，在完全相同的對(duì)流環(huán)境(即表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和流體溫皮均相同)下，沿肋高方向溫度分布曲線如圖所示。請(qǐng)判斷兩種材料導(dǎo)熱系數(shù)的大小和肋效率的高低? 答：對(duì)一維肋片，導(dǎo)熱系數(shù)越高時(shí)，沿肋高方向熱阻越小，因而沿肋高方向的溫度變化(降落或上升)越小。因此曲線1對(duì)應(yīng)的是導(dǎo)熱系數(shù)大的材料曲線2對(duì)應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)小的材料。而且，由肋效率的定義知，曲線1的肋效率高于曲線2。5、用套管溫度計(jì)測(cè)量容器內(nèi)的流體溫度，為了減小

9、測(cè)溫誤差，套管材料選用銅還是不銹鋼?答：由于套管溫度計(jì)的套管可以視為一維等截面直助，要減小測(cè)溫誤差(即使套管頂部溫度tH盡量接近流體溫度tf)，應(yīng)盡量減小沿套管長(zhǎng)度流向容器壁面的熱量，即增大該方向的熱阻。所以，從套管樹料上說應(yīng)采用導(dǎo)熱系數(shù)更小的不銹鋼。6、工程中應(yīng)用多孔性材料作保溫隔熱,使用時(shí)應(yīng)注意什么問題?為什么?答：應(yīng)注意防潮。保溫材料的一個(gè)共同特點(diǎn)是它們經(jīng)常呈多孔狀，或者具有纖維結(jié)構(gòu)，其中的熱量傳遞是導(dǎo)熱、對(duì)流換熱、熱輻射三種傳熱機(jī)理聯(lián)合作用的綜合過程。如果保溫材料受潮，水分將替代孔隙中的空氣，這樣不僅水分的導(dǎo)熱系數(shù)高于空氣，而且對(duì)流換熱強(qiáng)度大幅度增加，這樣材料保溫性能會(huì)急劇下降。7、為

10、變量的一維導(dǎo)熱問題。某一無限大平壁厚度為，內(nèi)、外表面溫度分別為w1、W2，導(dǎo)熱系數(shù)為=0(1+bt) W/mK，試確定平壁內(nèi)的溫度分布和熱流通量。設(shè)平壁內(nèi)無內(nèi)熱源。，溫度分布：熱流通量：同學(xué)們可以根據(jù)的特點(diǎn)，按照題2的方法分析b>0和b<0對(duì)應(yīng)圖中哪一條曲線。二、定量計(jì)算本節(jié)定量計(jì)算主要題型包括以下幾類：(1)建立物理問題所對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)描寫(控制方程及定解條件)及傅里葉定律；(2)平壁、圓管壁、球殼的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算；(3)含內(nèi)熱源、變截面、變導(dǎo)熱系數(shù)的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題分析求解(4)一維穩(wěn)態(tài)等截面助及不等截面肋的分析計(jì)算；1、一直徑為d。，單位體積內(nèi)熱源的生成熱的實(shí)心長(zhǎng)圓柱體，向溫度

11、為t的流體散熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h。試列出圓柱體中穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的微分方程式及定解條件。解： 2、金屬實(shí)心長(zhǎng)棒通電加熱,單位長(zhǎng)度的熱功率等于l(單位是W/m)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)，表面發(fā)射率、周圍氣體溫度為tf，輻射環(huán)境溫度為Tsur，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h均已知，棒的初始溫度為t0。試給出此導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描述。解：此導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描述3、外直徑為50mm的蒸汽管道外表面溫度為400，其外包裹有厚度為40mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.11W/(m·K)的礦渣棉，礦渣棉外又包有厚為45mm的煤灰泡沫磚，其導(dǎo)熱系數(shù)與磚層平均溫度tm的關(guān)系如下：=0.099+0.0002tm。煤灰泡沫磚外表面溫度為50。已知煤灰泡沫

12、磚最高耐溫為300。試檢查煤灰泡沫磚層的溫度有無超出最高溫度?并求通過每米長(zhǎng)該保溫層的熱損失。解：本題的關(guān)鍵在于確定礦渣棉與煤灰泡沫磚交界處的溫度，而由題意，煤灰泡沫磚的導(dǎo)熱系數(shù)又取決于該未知的界面溫度，因而計(jì)算過程具有迭代(試湊)性質(zhì)。先假定界面溫度為tw，如圖所示。則由題意：，而，迭代(試湊)求解上式，得：。所以沒有超過該保溫層的最高溫度。通過每米長(zhǎng)保溫層的熱損失：4、如圖所示的長(zhǎng)為30cm，直徑為12.5mm的銅桿，導(dǎo)熱系數(shù)為386 W/(m·K)，兩端分別緊固地連接在溫度為200的墻壁上。溫度為38的空氣橫向掠過銅桿，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為17W/(m2·K)。求桿散失給空

13、氣的熱量是多少? 解：這是長(zhǎng)為15cm的等截面直肋（且一端為絕熱邊界條件）的一維導(dǎo)熱問題。由于物理問題對(duì)稱，可取桿長(zhǎng)的一半作研究對(duì)象。此桿的散熱量為實(shí)際散熱量的一半。，故整個(gè)桿的散熱量為：5、一厚度為2的無限大平壁，導(dǎo)熱系數(shù)為常量，壁內(nèi)具有均勻的內(nèi)熱源(單位為W/m3)，邊界條件為x0，t=tw1；x=2，t=tw2；tw1tw2。試求平壁內(nèi)的穩(wěn)態(tài)溫度分布t(x)及最高溫度的位置xtmax，并畫出溫度分布的示意圖。解建立數(shù)學(xué)描述如下：，據(jù)可得最高溫度的位置xtmax，即。溫度分布的示意圖見圖。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 一、基本概念本節(jié)基本概念主要包括：對(duì)物理問題進(jìn)行分析，得出其數(shù)學(xué)描寫(控制方程和定解條件)

14、；定性畫出物體內(nèi)的溫度分布；集總參數(shù)法的定性分析；時(shí)間常數(shù)概念的運(yùn)用；一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析解的討論；對(duì)海斯勒?qǐng)D(諾謨圖)的理解；乘積解在多維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱中的應(yīng)用；半無限大物體的基本概念。1、由導(dǎo)熱微分方程可知，非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱只與熱擴(kuò)散率有關(guān)，而與導(dǎo)熱系數(shù)無關(guān)。你認(rèn)為對(duì)嗎?答：由于描述一個(gè)導(dǎo)熱問題的完整數(shù)學(xué)描寫不僅包括控制方程，還包括定解條件。所以雖然非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的控制方程只與熱擴(kuò)散率有關(guān)，但邊界條件中卻有可能包括導(dǎo)熱系數(shù)(如第二或第三類邊界條件)。因此上述觀點(diǎn)不對(duì)。2、無內(nèi)熱源，常物性二維導(dǎo)熱物體在某一瞬時(shí)的溫度分布為t2y2cosx。試說明該導(dǎo)熱物體在x0，y=1處的溫度是隨時(shí)間增加逐漸升高，還是逐漸

15、降低。答：由導(dǎo)熱控制方程，得：當(dāng)時(shí)，故該點(diǎn)溫度隨時(shí)間增加而升高。3、兩塊厚度為30mm的無限大平板，初始溫度為20，分別用銅和鋼制成。平板兩側(cè)表面的溫度突然上升到60，試計(jì)算使兩板中心溫度均上升到56時(shí)兩板所需時(shí)間之比。銅和鋼的熱擴(kuò)散率分別為103×10-6m2s，12.9×10-6m2/s。答：一維非穩(wěn)態(tài)無限大平板內(nèi)的溫度分布有如下函數(shù)形式：兩塊不同材料的無限大平板，均處于第一類邊界條件(即Bi)。由題意，兩種材料達(dá)到同樣工況時(shí)，Bi數(shù)和相同，要使溫度分布相同，則只需Fo數(shù)相等，因此：，即，而在兩種情況下相等，因此：4、東北地區(qū)春季,公路路面常出現(xiàn)“彈簧”,冒泥漿等“翻漿

16、”病害。試簡(jiǎn)要解釋其原因。為什么南方地區(qū)不出現(xiàn)此病害?東北地區(qū)的秋冬季節(jié)也不出現(xiàn) “翻漿”?答：此現(xiàn)象可以由半無限大物體（地面及地下）周期性非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱現(xiàn)象的溫度波衰減及溫度波時(shí)間延遲特征來解釋。公路路面“彈簧”及“翻漿”病害產(chǎn)生的條件是：地面以下結(jié)冰，而地表面已解凍（表面水無法滲如地下）。東北地區(qū)春季地表面溫度已高于0，但由于溫度波的時(shí)間延遲，地下仍低于0，從而產(chǎn)生了公路路面“彈簧”及“翻漿”等病害。東北地區(qū)的秋冬季節(jié)，雖然地表面溫度已低于0，但由于溫度波的時(shí)間延遲，地下仍高于0，從而不會(huì)產(chǎn)生“翻漿”。南方地區(qū)不出現(xiàn)此病害的原因是，由于溫度波衰減的特征，使得地下部分不會(huì)低于0，當(dāng)然不會(huì)出現(xiàn)此病

17、害。 二、定量計(jì)算主要包括：列出具體物理問題的數(shù)學(xué)描寫并求解；集總參數(shù)法的應(yīng)用；一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解(無限大平板，無限長(zhǎng)圓柱，球)，這是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的典型題，可包括己知物體內(nèi)部溫度達(dá)某一限定值求所需的時(shí)間，或求某一時(shí)刻物體內(nèi)的溫度分布，也可確定其他參數(shù)(如表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h、材料的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率a和物體的特征長(zhǎng)度等)；多維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題乘積解；半無限大物體的分析計(jì)算。重點(diǎn)是集總參數(shù)法和一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題分析解的應(yīng)用。1、一塊無限太平板，單側(cè)表面積為A，初溫為t0，一側(cè)表面受溫度為t，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h的氣流冷卻，另一側(cè)受到恒定熱流密度qw的加熱，內(nèi)部熱阻可以忽略，試列出物體內(nèi)部的溫度隨時(shí)間變

18、化的微分方程式并求解之。設(shè)其他幾何參數(shù)及物性參數(shù)已知。解：由題意，物體內(nèi)部熱阻可以忽略，溫度僅為時(shí)間的函數(shù)，一側(cè)的對(duì)流換熱和另側(cè)恒熱流加熱作為內(nèi)熱源處理，根據(jù)熱平衡方程可得：控制方程為：；初始條件：引入過于溫度，則為，上述控制方程的通解為：，由初始條件有：故溫度分布：2、熱處理工藝中，常用銀球來測(cè)定淬火介質(zhì)的冷卻能力。今有兩個(gè)直徑均為20mm的銀球，加熱到650后分別置于20的靜止水和20的循環(huán)水容器中。當(dāng)兩個(gè)銀球中心溫度均由650變化到450時(shí)，用熱電偶分別測(cè)得兩種情況下的降溫速率分別為180s及360s。在上述溫度范圍內(nèi)銀的物性參數(shù)10 500 kgm3，c262×102J(kg

19、·K)，360w(m·K)。試求兩種情況下銀球與水之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解：本題表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)未知，即Bi數(shù)為未知參數(shù)，所以無法判斷是否滿足集總參數(shù)法條件。為此先假定滿足集總參數(shù)法條件，然后驗(yàn)算。(1)對(duì)靜止水情形，由且，故：驗(yàn)算Bi數(shù)：滿足集總參數(shù)條件。(2)對(duì)循環(huán)水情形，同理，驗(yàn)算，不滿足集總參數(shù)法條件。改用諾謨圖。此時(shí)，。查圖得，故：3、在太陽能集熱器中采用直徑為100mm的鵝卵石作為貯存熱量的媒介，其初始溫度為20。從太陽能集熱器中引來70的熱空氣通過鵝卵石，空氣與卵石之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為10 w(m2·K)。試問3h后鵝卵石的中心溫度為多少?每千克鵝卵石的貯

20、熱量是多少？已知鵝卵石的導(dǎo)熱系數(shù)22w(m·K)，熱擴(kuò)散率a11.3X10-7m2s，比熱容c780J(kg·K)，密度2500kgm3。解：本題是直徑為100mm的球形物體的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，先判斷Bi數(shù)，不滿足集總參數(shù)法，需用諾漠圖求解。，由圖得，即：由，查圖得：對(duì)每一塊鵝卵石：每千克鵝卵石含石頭的個(gè)數(shù)則每千克鵝卵石的貯熱量為J4、初始溫度為300，直徑為12cm，高為12cm的短鋼柱體，被置于溫度為30的大油槽中，其全部表面均可受到油的冷卻，冷卻過程中鋼柱體與油的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為300w(m2·K)。鋼柱體的導(dǎo)熱系數(shù)48W(m·K)，熱擴(kuò)散率a=1&#

21、215;10-5 m2/s。試確定5min后鋼柱體中的最大溫差。解：本題屬二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，可采用相應(yīng)的無限長(zhǎng)圓柱體和無限大平板的乘積解求解。顯然，圓柱體內(nèi)最高溫度位于柱體中心，最低溫度位于柱體的上、下邊角處。對(duì)無限長(zhǎng)圓柱：，查教材附錄2圖l，得：，由附錄2圖2，得：，其中表示表面過于溫度。所以：對(duì)無限大平板：由教材圖36得：，由教材圖37得：所以所以短圓柱中的最低溫度：即：短圓柱中最高溫度：故5min后鋼柱體中最大溫差：注：本題也可按擬合公式進(jìn)行計(jì)算，讀者可作為練習(xí)。5、初溫為25的熱電偶被置于溫度為250的氣流中。設(shè)熱電偶熱接點(diǎn)可近似看成球形，要使其時(shí)間常數(shù)l s問熱接點(diǎn)的直徑應(yīng)為多大?

22、忽略熱電偶引線的影響，且熱接點(diǎn)與氣流間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為300W(m2·K)，熱接點(diǎn)材料的物性：=20W(m·K)8500kgm3，c400J（kg·K)。如果氣流與熱接點(diǎn)間存在著輻射換熱，且保持熱電偶時(shí)間常數(shù)不變，則對(duì)所需熱接點(diǎn)直徑之值有何影響?解出于熱電銅的直徑很小，一船滿足集總參數(shù)法條件，時(shí)間常數(shù)為，故：m故熱電偶直徑：mm驗(yàn)證Bi數(shù)是否滿足集總參數(shù)法故滿足集總參數(shù)法條件。若熱接點(diǎn)與氣流間存在輻射換熱，則總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h(包括對(duì)流和輻射)增加，由知，保持不變時(shí)，可使V/A增加，即熱接點(diǎn)直徑增加。對(duì)流換熱概述 一、基本概念主要包括對(duì)流換熱影響因素；邊界層理論及分

23、析；理論分析法（對(duì)流換熱微分方程組、邊界層微分方程組）；動(dòng)量與熱量的類比；相似理論；外掠平板強(qiáng)制對(duì)流換熱基本特點(diǎn)。1、由對(duì)流換熱微分方程知，該式中沒有出現(xiàn)流速，有人因此得出結(jié)論：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與流體速度場(chǎng)無關(guān)。試判斷這種說法的正確性?答：這種說法不正確，因?yàn)樵诿枋隽鲃?dòng)的能量微分方程中，對(duì)流項(xiàng)含有流體速度，即要獲得流體的溫度場(chǎng)，必須先獲得其速度場(chǎng)，“流動(dòng)與換熱密不可分”。因此表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)必與流體速度場(chǎng)有關(guān)。2、在流體溫度邊界層中，何處溫度梯度的絕對(duì)值最大?為什么?有人說對(duì)一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體，可以用貼壁處溫度梯度絕對(duì)值的大小來判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小，你認(rèn)為對(duì)嗎?答：在溫度邊界層中，貼壁處

24、流體溫度梯度的絕對(duì)值最大，因?yàn)楸诿媾c流體間的熱量交換都要通過貼壁處不動(dòng)的薄流體層，因而這里換熱最劇烈。由對(duì)流換熱微分方程，對(duì)一定表面?zhèn)鳠釡夭畹耐N流體與t均保持為常數(shù)，因而可用絕對(duì)值的大小來判斷表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的大小。3、簡(jiǎn)述邊界層理論的基本論點(diǎn)。答：邊界層厚度、t與壁的尺寸l相比是極小值；邊界層內(nèi)壁面速度梯度及溫度梯度最大；邊界層流動(dòng)狀態(tài)分為層流與紊流,而紊流邊界層內(nèi),緊貼壁面處仍將是層流,稱為層流底層；流場(chǎng)可以劃分為兩個(gè)區(qū)：邊界層區(qū)（粘滯力起作用）和主流區(qū)，溫度同樣場(chǎng)可以劃分為兩個(gè)區(qū)：邊界層區(qū)（存在溫差）和主流區(qū)（等溫區(qū)域）；對(duì)流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區(qū)域的導(dǎo)熱熱阻。層流邊界層的熱阻為整

25、個(gè)邊界層的導(dǎo)熱熱阻。紊流邊界層的熱阻為層流底層的導(dǎo)熱熱阻。4、試引用邊界層概念來分析并說明流體的導(dǎo)熱系數(shù)、粘度對(duì)對(duì)流換熱過程的影響。答：依據(jù)對(duì)流換熱熱阻主要集中在熱邊界層區(qū)域的導(dǎo)熱熱阻。層流邊界層的熱阻為整個(gè)邊界層的導(dǎo)熱熱阻。紊流邊界層的熱阻為層流底層的導(dǎo)熱熱阻。導(dǎo)熱系數(shù)越大，將使邊界層導(dǎo)熱熱阻越小，對(duì)流換熱強(qiáng)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(dǎo)熱熱阻越大，對(duì)流換熱強(qiáng)度越小。5、確定對(duì)流換熱系數(shù)h有哪些方法?試簡(jiǎn)述之。答：求解對(duì)流換熱系數(shù)的途徑有以下四種:(1)建立微分方程組并分析求解_應(yīng)用邊界層理論,采用數(shù)量級(jí)分析方法簡(jiǎn)化方程組,從而求得精確解,

26、得到了Re,Pr及Nu等準(zhǔn)則及其準(zhǔn)則關(guān)系,表達(dá)了對(duì)流換熱規(guī)律的基本形式。(2)建立積分方程組并分析求解_先假定邊界層內(nèi)的速度分布和溫度分布然后解邊界層的動(dòng)量和能量積分方程式求得流動(dòng)、熱邊界層厚度,從而求得對(duì)流換熱系數(shù)及其準(zhǔn)則方程式。以上兩法目前使用于層流問題。(3)根據(jù)熱量傳遞和動(dòng)量傳遞可以類比，建立類比律，借助于流動(dòng)摩擦阻力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得對(duì)流換熱系數(shù)。此法較多用于紊流問題。(4)由相似理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，確定換熱準(zhǔn)則方程式的具體形式，提供工程上常用準(zhǔn)則方程式，求解準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式得到對(duì)流換熱系數(shù)。6、為什么熱量傳遞和動(dòng)量傳遞過程具有類比性?答：如果用形式相同的無量綱方程和邊界條件能夠描述兩種不同性質(zhì)的

27、物理現(xiàn)象，就稱這兩種現(xiàn)象是可類比的，或者可比擬的。把它們的有關(guān)變量定量地聯(lián)系起來的關(guān)系式就是類比律?？梢宰C明，沿平壁湍流時(shí)的動(dòng)量和能量微分方程就能夠表示成如下形式：其中： 7、有若干個(gè)同類物理現(xiàn)象,怎樣才能說明其單值性條件相似。試設(shè)想用什么方法對(duì)以實(shí)現(xiàn)物體表面溫度恒定、表面熱流量恒定的邊界條件?答：所謂單值條件是指包含在準(zhǔn)則中的各已知物理量，即影響過程特點(diǎn)的那些條件時(shí)間條件、物理?xiàng)l件、邊界條件。所謂單值性條件相似,首先是時(shí)間條件相似(穩(wěn)態(tài)過程不存在此條件)。然后,幾何條件、邊界條件及物理?xiàng)l件要分別成比例。采用飽和蒸汽（或飽和液體）加熱（或冷卻）可實(shí)現(xiàn)物體表面溫度恒定的邊界條件，而采用電加熱可實(shí)

28、現(xiàn)表面熱流量恒定的邊界條件。8、管內(nèi)紊流受迫對(duì)流換熱時(shí)，Nu數(shù)與Re數(shù)和Pr數(shù)有關(guān)。試以電加熱方式加熱管內(nèi)水的受迫對(duì)流為例，說明如何應(yīng)用相似理論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并簡(jiǎn)略繪制出其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。答：模型的選取依據(jù)判斷相似的條件，首先應(yīng)保證是同類現(xiàn)象，包括單值性條件相似；其次是保證同名已定準(zhǔn)則數(shù)相等。選取無限長(zhǎng)圓管；圓管外套設(shè)有電加熱器。屬于管內(nèi)水的純受迫流動(dòng)。需要測(cè)量的物理量準(zhǔn)則數(shù)方程式形式為。由Re、Nu、=IU、牛頓冷卻公式，以及，可確定需要測(cè)量的物理量有：qv，d，L，I，U。所有流體物性由定性溫度查取水的物性而得。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理方法根據(jù)相似準(zhǔn)則數(shù)之間存在由微分方程式?jīng)Q定的函數(shù)關(guān)系，對(duì)流傳熱準(zhǔn)則數(shù)方程

29、式形式應(yīng)為，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的任務(wù)就是確定和的數(shù)值。為此必須有多組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由多組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得：（Re、Pr）iNui將轉(zhuǎn)化為直線方程：；由（Re、Pr）iNui得ii，確定系數(shù)n和C。確定系數(shù)n和C的方法有圖解法（右圖）和最小二乘法。圖中的直線斜率即準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的n，截距即式中的lgC，即,。注意：為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，直線應(yīng)盡量使各點(diǎn)處在該線上，或均勻分布在其兩側(cè)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用根據(jù)相似的性質(zhì)，所得的換熱準(zhǔn)則數(shù)式可以應(yīng)用到無數(shù)的與模型物理相似的現(xiàn)象群，而不僅僅是實(shí)物的物理現(xiàn)象。之所以說是現(xiàn)象群，是因?yàn)槊恳粋€(gè)Re均對(duì)應(yīng)著一個(gè)相似現(xiàn)象群。簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖所示。 9、繪圖說明氣體掠過平板時(shí)的流動(dòng)

30、邊界層和熱邊界層的形成和發(fā)展。答：當(dāng)溫度為tf的流體以u(píng)速度流入平板前緣時(shí)，邊界層的厚度=t=0，沿著X方向，隨著X的增加，由于壁面粘滯力影響逐漸向流體內(nèi)部傳遞，邊界層厚度逐漸增加，在達(dá)到Xc距離(臨界長(zhǎng)度Xc由Rec來確定)之前，邊界層中流體的流動(dòng)為層流，稱為層流邊界層，在層流邊界層截面上的流速分布，溫度分布近似一條拋物線，如圖所示。在Xc之后，隨著邊界層厚度的增加，邊界層流動(dòng)轉(zhuǎn)為紊流稱為紊流邊界層，即使在紊流邊界層中，緊貼著壁面的薄層流體，由于粘滯力大，流動(dòng)仍維持層流狀態(tài)，此極薄層為層流底層t，在紊流邊界層截面上的速度分布和溫度分布在層流底層部分較陡斜，近于直線，而底層以外區(qū)域變化趨于平緩

31、。二、定量計(jì)算主要包括：類比率的應(yīng)用；相似原理的應(yīng)用；外掠平板的強(qiáng)制對(duì)流換熱。1、空氣以40m/s的速度流過長(zhǎng)寬均為0.2m的薄板，tf=20，tw=120，實(shí)測(cè)空氣掠過此板上下兩表面時(shí)的摩擦力為0.075N，試計(jì)算此板與空氣間的換熱量(設(shè)此板仍作為無限寬的平板處理，不計(jì)寬度z方向的變化)。解應(yīng)用柯爾朋類比律其中、cp用定性溫度查教材附錄2（P309）“干空氣的熱物理性質(zhì)”確定。，帶入上式,得，換熱量：，2、在相似理論指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究空氣在長(zhǎng)圓管內(nèi)穩(wěn)態(tài)受迫對(duì)流換熱的規(guī)律，請(qǐng)問：(1)本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將涉及哪幾個(gè)相似準(zhǔn)則?實(shí)驗(yàn)中應(yīng)直接測(cè)量哪些參數(shù)才能得到所涉及的準(zhǔn)則數(shù)據(jù)?(3)現(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)并經(jīng)初步計(jì)算

32、得到的數(shù)據(jù)如下表所示，試計(jì)算各試驗(yàn)點(diǎn)Re數(shù)及Nu數(shù)?(4)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)1、2、3、4的現(xiàn)象是否相似？(5)將實(shí)驗(yàn)點(diǎn)標(biāo)繪在lgNu及l(fā)gRe圖上。(6)可用什么形式的準(zhǔn)則方程式整理這些數(shù)據(jù)?并確定準(zhǔn)則方程式中的系數(shù)。(7)現(xiàn)有另一根長(zhǎng)圓管，d80mm，管內(nèi)空氣速度28.9m/s，tw150；tf=50，試確定管內(nèi)換熱現(xiàn)象與上述表中哪個(gè)現(xiàn)象是相似的?并用上表實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定此管內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。(8)又一未知流體的換熱現(xiàn)象，已知其熱擴(kuò)散率a=302×10-6m2/s，=0.0305W/(mK)；21.09×10-6m2/s；d65mm，管內(nèi)流速23m/s，它是否與上表中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相似?是

33、否可以用上表實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算它的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)?為什么?如果能用，請(qǐng)計(jì)算其Nu數(shù)和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)?解：定性溫度為為tf由于是空氣在長(zhǎng)管內(nèi)穩(wěn)態(tài)受迫對(duì)流換熱，所以涉及到的相似準(zhǔn)則是Re和Nu。由Re=ud/、Nu=hd/、=IU及=hA(w-f)知道需要測(cè)量的物理量有u、d、A=dL、f、f、I、U。計(jì)算結(jié)果見下表：(1-4：tf=10；5：tf=50，定性溫度為tf)現(xiàn)象序號(hào)twW/mm2/sdmum/shW/m2ReNulgRelgNu1302.51×10-214.16×10-650×10-33.011510628.529.884.021.4825031.528248.6

34、62.744.451.8037057.560028.2114.54.782.06490106126765.5211.25.102.3251502.83×10-217.95×10-680×10-328.9 128802.2 6 3.05×10-221.09×10-665×10-323 70886.7 由于，所以現(xiàn)象1-4不相似。圖略（參考教材P140圖5-26）準(zhǔn)則方程式形式為根據(jù)現(xiàn)象1-4數(shù)據(jù)，利用最小二乘法（也可以用圖解法確定C和n），確定（）中的C和n如下：，所以準(zhǔn)則方程式為，其中因現(xiàn)象5雷諾數(shù)（Re=128802.2）與現(xiàn)象1-

35、4雷諾數(shù)均不相等，所以現(xiàn)象5不與現(xiàn)象1-4均不相似；且由于其雷諾數(shù)已超出了現(xiàn)象1-4的實(shí)驗(yàn)范圍，所以無法用上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定現(xiàn)象5的表面換熱系數(shù)。因現(xiàn)象6雷諾數(shù)（Re=70886.7）與現(xiàn)象1-4雷諾數(shù)均不相等，所以現(xiàn)象6不與現(xiàn)象1-4均不相似；但由于其雷諾數(shù)處于現(xiàn)象1-4的實(shí)驗(yàn)范圍，所以可以用上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定現(xiàn)象6的表面換熱系數(shù)，方法如下：3、溫度為50，壓力為1.01325×105Pa的空氣，平行掠過一塊表面溫度為100的平板上表面，平板下表面絕熱。平板沿流動(dòng)方向長(zhǎng)度為0.2m，寬度為0.1m。按平板長(zhǎng)度計(jì)算的Re數(shù)為4×l04。試確定：(1)平板表面與空氣間的表面?zhèn)鳠嵯?/p>

36、數(shù)和傳熱量；(2)如果空氣流速增加一倍，壓力增加到10.1325×105Pa，平板表面與空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱量。解：本題為空氣外掠平板強(qiáng)制對(duì)流換熱問題。(1)由于Re4×1045×105，屬層流狀態(tài)。故：空氣定性溫度：空氣的物性參數(shù)為，Pr=0.70故：W/（m2.K）散熱量W(2)若流速增加一倍，壓力，則，而：，故：所以：，屬湍流。據(jù)教材式(542b)=961W/（m2·K）散熱量：W三、本章提要以下摘自趙鎮(zhèn)南著，高等教育出版社，出版日期：2002年7月第1版?zhèn)鳠釋W(xué)1、對(duì)流換熱是一種非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象。它的熱流速率方程即牛頓冷卻公式。對(duì)流換熱問題的

37、求解歸根結(jié)底圍繞著如何得到各種不同情況下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，它有局部值和平均值之分。影響單相流體對(duì)流換熱強(qiáng)弱的主要因素有流體的流動(dòng)狀態(tài)、發(fā)生流動(dòng)的原因、流體的各項(xiàng)有關(guān)物性以及表面的幾何形狀等。2、邊界層理論在研究對(duì)流換熱現(xiàn)象時(shí)扮演了極重要的角色。邊界層概念歸根結(jié)底就是從數(shù)量級(jí)的觀點(diǎn)出發(fā)，忽略主流中速度和過余溫度1的差異。速度邊界層和溫度邊界層的基本觀點(diǎn)可以概括地總結(jié)為以下的基本內(nèi)容(針對(duì)沿平壁的外部流動(dòng))：(1)速度從零變化到幾乎等于主論速度主要發(fā)生在緊貼壁面的薄層內(nèi)：壁面上具有速度梯度的最大值；在壁面法線方向上，討以把流場(chǎng)劃分成邊界層區(qū)和主流區(qū)，主流可視為等速、無粘性的理想流體；壁面法線方向上不

38、存在壓力梯度；在沿壁曲方向上流體依次為層流、過渡流和湍流狀態(tài)。 (2)溫度的變化與速度相似(但必須以過余溫度，而不是來流溫度作為衡量的基準(zhǔn))，過余溫度99的變化發(fā)生在薄薄的熱邊界層內(nèi)；壁面上具有最大的過余溫度梯度(該值即代表Nu數(shù))；在壁面的法線方向上將流場(chǎng)分為熱邊界層區(qū)和等溫的主流區(qū)，流體與壁面之間的熱量傳遞僅發(fā)生在熱邊界層區(qū)里。3、二維、低速、常物性、無體積力、無內(nèi)熱源的邊界層對(duì)流換熱微分方程組是： 它們是通過對(duì)流場(chǎng)中的任意流體微元分別作質(zhì)量、動(dòng)量和能量平衡，并針對(duì)高雷諾數(shù)按照普朗特的邊界層理論進(jìn)行簡(jiǎn)化以后得出來的。而對(duì)流換熱過程微分方程則揭示了流體與壁面之間對(duì)流換熱的物理本質(zhì)。4、邊界層

39、對(duì)流換熱問題的主要求解方法有分析解、實(shí)驗(yàn)解、類比方法以及數(shù)值解法。分析解：包括精確解(也叫相似解)和積分方程近似解。雖只能在若干假設(shè)條件下求得一些簡(jiǎn)單問題的解，但是作為經(jīng)典方法，它對(duì)正確認(rèn)識(shí)對(duì)流換熱的基本規(guī)律仍起著重要的作用。實(shí)驗(yàn)解：實(shí)驗(yàn)方法始終是解決工程對(duì)流換熱問題不可缺少的基本手段。它也是分析解或數(shù)值解唯一可靠的檢驗(yàn)手段，對(duì)求不出理論解的問題，更要靠它來獲得所需要的基本規(guī)律和數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)解方法應(yīng)當(dāng)在相似理論的指導(dǎo)下進(jìn)行才能得到正確有效的結(jié)果。類比方法：建立在流體動(dòng)量與熱量傳遞規(guī)律的相似性上，無論層流還是湍流，只要流動(dòng)阻力來自流體的分子粘性和湍流“粘性”，均可以運(yùn)用類比關(guān)系通過摩擦系數(shù)直接得到

40、對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。對(duì)于外部流動(dòng)和內(nèi)部流動(dòng)，最主要的兩個(gè)類比率關(guān)系式是；適用條件：；適用條件：數(shù)值解：通過對(duì)邊界層微分方程組進(jìn)行離散化處理求得各節(jié)點(diǎn)上流體的速度、溫度和壓力參數(shù)的數(shù)值求解方法。由于動(dòng)量方程中存在非線性的對(duì)流項(xiàng)及壓力梯度項(xiàng)，使對(duì)流換熱的數(shù)值處理比導(dǎo)熱復(fù)雜很多。5、相似理論與相似準(zhǔn)則數(shù)相似原理是指導(dǎo)用實(shí)驗(yàn)方法研究包括對(duì)流換熱在內(nèi)的很多工程技術(shù)問題的方法理論。它的主要內(nèi)容可以概括為相似三定理，它們分別回答了實(shí)驗(yàn)研究中遇到的四個(gè)主要問題：(1)彼此相似的現(xiàn)象，其對(duì)應(yīng)點(diǎn)的同名相似準(zhǔn)則數(shù)相等。實(shí)驗(yàn)中模型應(yīng)該如何選取，應(yīng)該測(cè)量哪些量？模型應(yīng)保證與實(shí)物物理現(xiàn)象相似，應(yīng)測(cè)量相似準(zhǔn)則數(shù)中所包含

41、的各個(gè)物理量，其中的物性由定性溫度確定。(2)描述物理過程的微分方程積分結(jié)果可以用相似準(zhǔn)則數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系來表示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該怎么表示?應(yīng)該用準(zhǔn)則數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式來表示。(3)凡同類現(xiàn)象，若同名已定準(zhǔn)則數(shù)相等且單值性條件相似，那么這兩個(gè)現(xiàn)象必定相似。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以應(yīng)用到哪些范圍?實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用于所有與實(shí)驗(yàn)狀態(tài)保持相似的同類對(duì)流換熱問題中。下表匯總列出了本教材以及傳熱文獻(xiàn)中最經(jīng)常遇到的所有相似準(zhǔn)則數(shù)，它們的定義和物理解釋，供讀者在學(xué)習(xí)和工作中參考。 相似準(zhǔn)則數(shù)的定義與物理解釋(按準(zhǔn)則數(shù)名稱的字母排序)6、掠過平板的強(qiáng)迫對(duì)流換熱應(yīng)注意區(qū)分層流和湍流兩種流態(tài)(一般忽略過渡流段)，恒壁溫與恒熱流兩種典型的邊

42、界條件，以及局部Nu數(shù)和平均Nu數(shù)。具有末加熱起始段的換熱對(duì)某些工程問題有重要的應(yīng)用價(jià)值。單相流體對(duì)流換熱及準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式部分 一、基本概念主要包括管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱基本特點(diǎn)；外部流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流換熱基本特點(diǎn)；自然對(duì)流換熱基本特點(diǎn)；對(duì)流換熱影響因素及其強(qiáng)化措施。1、對(duì)皆內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，為何采用短管和彎管可以強(qiáng)化流體的換熱?答：采用短管，主要是利用流體在管內(nèi)換熱處于入口段溫度邊界層較薄，因而換熱強(qiáng)的特點(diǎn)，即所謂的“入口效應(yīng)”，從而強(qiáng)化換熱。而對(duì)于彎管，流體流經(jīng)彎管時(shí)，由于離心力作用，在橫截面上產(chǎn)生二次環(huán)流，增加了擾動(dòng)，從而強(qiáng)化了換熱。2、其他條件相同時(shí)，同一根管子橫向沖刷與縱向沖刷相比，哪個(gè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

43、大，為什么？答：橫向沖刷時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。因?yàn)榭v向沖刷時(shí)相當(dāng)于外掠平板的流動(dòng)，熱邊界層較厚，而橫向沖刷時(shí)熱邊界層薄且存在由于邊界層分離而產(chǎn)生的旋渦，增加了流體的擾動(dòng)，因而換熱強(qiáng)。3、在進(jìn)行外掠圓柱體的層流強(qiáng)制對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，為了測(cè)量平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，需要布置測(cè)量外壁溫度的熱電偶。試問熱電偶應(yīng)布置在圓柱體周向方向何處?答：橫掠圓管局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)如圖。在0-1800內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的平均值hm與該曲線有兩個(gè)交點(diǎn)，其所對(duì)應(yīng)的周向角分別為1，2。布置熱電偶時(shí)，應(yīng)布置在1，2所對(duì)應(yīng)的圓周上。由于對(duì)稱性，在圓柱的下半周還有兩個(gè)點(diǎn)以布置。4、在地球表面某實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)的自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)，到太空中是否仍然有

44、效，為什么？答：該實(shí)驗(yàn)到太空中無法得到地面上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因?yàn)樽匀粚?duì)流是由流體內(nèi)部的溫度差從而引起密度差并在重力的作用下引起的。在太空中實(shí)驗(yàn)裝置格處于失重狀態(tài)，因而無法形成自然對(duì)流，所以無法得到頂期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。5、管束的順排和叉排是如何影響換熱的?答：這是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題,可簡(jiǎn)答如下：叉排時(shí),流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎曲通道中流動(dòng),而順排時(shí)則流道相對(duì)比較平直,并且當(dāng)流速和縱向管間距s2較小時(shí),易在管的尾部形成滯流區(qū).因此,一般地說,叉排時(shí)流體擾動(dòng)較好,換熱比順排強(qiáng).或：順排時(shí)，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?nèi)酰芰虚g的流體受到管壁的干擾較小，流動(dòng)較

45、為穩(wěn)定。叉排時(shí)每排管子受到的沖擊相差不大，但由于流體的流動(dòng)方向不斷改變，混合情況比順流好，一般情況下，差排的平均換熱系數(shù)比順排時(shí)為大。6、空氣沿豎板加熱自由流動(dòng)時(shí),其邊界層內(nèi)的速度分布與空氣沿豎板受迫流動(dòng)時(shí)有什么不同,為什么?答：在自由流動(dòng)時(shí),流體被壁面加熱,形成自由流動(dòng)邊界層.層內(nèi)的速度分布與受迫流動(dòng)時(shí)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(dòng)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(nèi)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(nèi)存在一個(gè)極大值(見圖1).受迫流動(dòng)時(shí),一般說速度邊界層和溫度邊界層的厚度不相等.邊界層內(nèi)的速度分

46、布為壁面處為零,.而外緣處為u(見圖2)。7、試討論在無限空間自由流動(dòng)紊流換熱時(shí)對(duì)流換熱強(qiáng)度與傳熱面尺寸的關(guān)系,并說明此關(guān)系有何使用價(jià)值。答：當(dāng)在無限空間自由流動(dòng)紊流換熱時(shí),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(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式 Nu=C(Gr.Pr)n中的指數(shù)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(dòng)紊流換熱時(shí),換熱系數(shù)與傳熱面尺寸(定型尺寸)無關(guān).利用這自動(dòng)?；卣?在自由流動(dòng)紊流換熱實(shí)驗(yàn)研究中, 可以采用較小尺寸的物體進(jìn)行試驗(yàn),只要求實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的GrPr值處于紊流范圍。8、在對(duì)流溫度差大小相同的條件下,在夏季和冬季,屋頂天花板內(nèi)表面的對(duì)流放熱系數(shù)是否

47、相同?為什么?答：在夏季和冬季兩種情況下,雖然它們的對(duì)流溫差相同,但它們的內(nèi)表面的對(duì)流放熱系數(shù)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(duì)流不易產(chǎn)生,因此放熱系數(shù)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(duì)流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)烈,因此,放熱系數(shù)較高。 二、定量計(jì)算主要包括：?jiǎn)喂軆?nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱；外掠單管及管束的強(qiáng)制對(duì)流換熱；大空間自然對(duì)流換熱；有限空間自然對(duì)流換熱及上述幾種傳熱方式的綜合應(yīng)用等。1、一套管式換熱器，飽和蒸汽在內(nèi)管中凝結(jié)，使內(nèi)管外壁溫度保持在100，初溫為25，質(zhì)量流量為0.8kgs的水從套管換熱

48、器的環(huán)形空間中流過，換熱器外殼絕熱良好。環(huán)形夾層內(nèi)管外徑為40mm，外管內(nèi)徑為60mm，試確定把水加熱到55時(shí)所需的套管長(zhǎng)度，及管子出口截面處的局部熱流密度。不考慮溫差修正。解：本題為水在環(huán)形通道內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱問題，要確定的是管子長(zhǎng)度，因而可先假定管長(zhǎng)滿足充分發(fā)展的要求然后再校核。由定性溫度，得水的物性參數(shù)W/(m.K)，Pa.sJ/(kg.K)，Pr=4.31當(dāng)量直徑水被加熱假設(shè)換熱達(dá)充分發(fā)展， W/（m2·K）換熱量：W而所以：m因，故換熱已充分發(fā)展，不考慮管長(zhǎng)修正。2、某鍋爐廠生產(chǎn)的220t/h鍋爐的低溫段管式空氣預(yù)熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)為：順排布置，s1=76mm, s2=57mm,

49、 管子外徑d0=38mm，壁厚=1.5mm；空氣橫向沖刷管束，在空氣平均溫度為133時(shí)管間最大流速u1,max=6.03m/s，空氣流動(dòng)方向上的總管排數(shù)為44排。設(shè)管壁平均溫度tw=165，求管束與空氣間的對(duì)流換熱系數(shù)。如將管束改為叉排，其余條件不變，對(duì)流換熱系數(shù)增加多少？解：（1）計(jì)算Ref,max由定性溫度tf=133查附錄，得空氣的物性值為f=0.344W/(m·)f=27.0×10-6m2/s，Prf=0.684由tw=165查得Prw=0.682。于是 =8487（2）求順排時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)hf=0.27×84870.63×0.6840.38&

50、#215;×1×1解得對(duì)流換熱系數(shù)為hf=63.66W/(m2·)（3）求叉排時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)代入數(shù)據(jù)得=0.35×84870.60×0.6840.38××1×1解得叉排時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)為hf=66.64W/(m2·)3、水平放置的蒸汽管道，保溫層外徑do=583mm，壁溫tw=48，周圍空氣溫度t=23。試計(jì)算保溫層外壁的對(duì)流散熱量?解：定性溫度=35.5據(jù)此查得空氣的物性值為m=0.0272W/(m·)，vm=16.53X10-6m2/s，Prm=0.7判據(jù)（GrPr）m=4.03×

51、;108109流動(dòng)屬于層流，查表得C=0.53、n=1/4。于是對(duì)流換熱系數(shù)為 =0.53×(4.03×108)1/4×=3.5W/(m2·)單位管長(zhǎng)的對(duì)流散熱量為ql=hdo(tw-t)=3.5×3.14×0.583×(48-23)=160.2W/m4、溫度分別為100和40、面積均為0.5×0.5m2的兩豎壁，形成厚=15mm的豎直空氣夾層。試計(jì)算通過空氣夾層的自然對(duì)流換熱量?解：（1）空氣的物性值定性溫度 ，據(jù)此，查附錄得空氣的物性值為m=0.0296W/(m·)，m=1.029kg/m3，m=20

52、.60×10-6kg/(m·s)，m=2.915×10-3K-1，Prm=0.694，由此，運(yùn)動(dòng)粘度為m2/s(2)等效導(dǎo)熱系數(shù)e因（GrPr）m=1.003×1042×105，流動(dòng)屬層流。努謝爾特準(zhǔn)則為=0.197×(1.003×104)1/4×=1.335等效導(dǎo)熱系數(shù)e為e=Numm=1.335×0.0296=0.0395W/(m·)（3）自然對(duì)流換熱量=×(0.5×0.5)×(100-40)=39.5W5、用熱線風(fēng)速儀測(cè)定氣流速度的試驗(yàn)中將直徑為0.1mm的電

53、熱絲與來流方向垂直放置，來流溫度為25，電熱絲溫度為55，測(cè)得電加熱功率為20Wm。假定除對(duì)流外其他熱損失可忽略不計(jì)。試確定此時(shí)的來流速度。解本題為空氣外掠圓柱體強(qiáng)制對(duì)流換熱問題。由題意，20 W/m，由牛頓冷卻公式 W/（m2·K）定性溫度：空氣的物性值：，m2/s，由此得：假設(shè)Re數(shù)之值范圍在40-4000，有：，其中C=0.683，n=0.466即：，得Re=233.12符合上述假設(shè)范圍。故：m/s三、本章提要以下摘自趙鎮(zhèn)南著，高等教育出版社，出版日期：2002年7月第1版?zhèn)鳠釋W(xué)本章介紹了工程中最常見的幾類對(duì)流換熱問題的基本特征和換熱計(jì)算關(guān)系式與計(jì)算方法，它們是掌握對(duì)流換熱工程

54、設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)本章時(shí)，應(yīng)注意掌握各種類型對(duì)流問題的流動(dòng)特征，邊界層的特點(diǎn)，流態(tài)的判別，換熱機(jī)理及主要的影響因素，適用邊界條件，已準(zhǔn)則的適用范圍，特征尺寸與定性溫度的選取方法。1管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱(1)流動(dòng)狀況不同于外部流動(dòng)的情形，無論層流或者湍流都存在流動(dòng)入口段和充分發(fā)展段，兩者的長(zhǎng)度差別很大。計(jì)算管內(nèi)流動(dòng)和換熱時(shí)，速度必須取為截面平均速度。(2)換熱狀況管內(nèi)熱邊界層也同樣存在入口段和充分發(fā)展段，只有在流體的Pr數(shù)大致等于1的時(shí)候，兩個(gè)邊界層的入口段才重合。理解并準(zhǔn)確把握兩種典型邊界條件(恒壁溫與恒熱流)下流體截面平均溫度的沿程變化規(guī)律，對(duì)管內(nèi)對(duì)流換熱計(jì)算有著特殊重要的意義。(3)特征數(shù)方程式

55、要注意區(qū)分不同關(guān)聯(lián)式所針對(duì)的邊界條件，因?yàn)閷恿鲗?duì)邊界條件的敏感程度明顯高于湍流時(shí)。還需要特別指出，絕大多數(shù)管內(nèi)對(duì)流換熱計(jì)算式5f對(duì)工程上的光滑管，如果遇到粗糙管，使用類比率關(guān)系式效果可能更好。(4)非圓截面管道僅湍流可以用當(dāng)量直徑的概念處理非圓截面管道的對(duì)流換熱問題。層流時(shí)即使用當(dāng)量直徑的概念也無法將不同截面形狀管道換熱的計(jì)算式全部統(tǒng)一。2繞流圓柱體的強(qiáng)迫對(duì)流換熱流體繞圓柱體流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)邊界層與掠過平板時(shí)有很大的不同出現(xiàn)脫體流動(dòng)和沿程局部Nu數(shù)發(fā)生大幅度升降變化的根本原因。橫掠單根圓管的對(duì)流換熱計(jì)算式還被擴(kuò)展到非圓管的情形。3繞流管束的強(qiáng)迫對(duì)流換熱這是工程中用得最多的流體換熱方式之。它的流動(dòng)和

56、換熱的基本特征與單管時(shí)相同，但增加了排列方式、管間距以及排數(shù)三個(gè)新的影響因素。除了光管管束以外，在氣體外部繞流換熱的場(chǎng)合，各種型式的肋片管柬在工程領(lǐng)域里用得越來越普遍。肋片的型式極多，已經(jīng)公開發(fā)表的計(jì)算式不一定與實(shí)際使用的肋片管相同，選擇計(jì)算公式時(shí)應(yīng)注意這個(gè)問題。4自然對(duì)流換熱因溫度差引起的自然對(duì)流邊界層和強(qiáng)迫流動(dòng)明顯不一樣，它具有單峰形狀，這種速度分布是在密度差和流體粘性的共同作用下形成的。自然對(duì)流換熱時(shí)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)相互鍋合，因此求解比強(qiáng)迫流動(dòng)更困難些。自然對(duì)流換熱計(jì)算中出現(xiàn)了一個(gè)新的已定特征數(shù)Gr數(shù)。它是決定自然對(duì)流流動(dòng)狀態(tài)的基本因素。自然對(duì)流換熱對(duì)物體的形狀、朝向特別敏感，選取特征數(shù)方

57、程時(shí)應(yīng)給予足夠的注意。極限情況下甚至可能轉(zhuǎn)變成純導(dǎo)熱。近年在自然對(duì)流換熱領(lǐng)域出現(xiàn)較多形式復(fù)雜、自變量覆蓋面廣的新特征數(shù)關(guān)聯(lián)式，它們適應(yīng)了計(jì)算機(jī)計(jì)算的需要。有限空間中的自然對(duì)流是流動(dòng)和換熱形態(tài)都相當(dāng)復(fù)雜的類情形，工程上經(jīng)常簡(jiǎn)化為按“導(dǎo)熱”的形式來處理，并由此引入當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的概念?；旌蠈?duì)流換熱只要壁面與流體之間存在溫度差，自然對(duì)流的影響就不可能完全避免。這種情況F的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)也十分復(fù)雜。工程上一般采用突出主要因素、忽略次要因素的辦法來處理這個(gè)問題。5強(qiáng)化對(duì)流換熱強(qiáng)化傳熱是對(duì)流換熱原理付諸工程實(shí)際應(yīng)用的主要著眼點(diǎn)，也是傳熱研究中永恒的主題。必須明確強(qiáng)化的重點(diǎn)或者突破口在哪里，然后再針對(duì)具體情況選擇一種或幾種強(qiáng)化措施。就一般原理而言，在對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大的同時(shí)，阻力損失會(huì)以更大的比例增加。但是也不排除有的強(qiáng)化方法