傳熱學第四版課后題答案

1、第五章復習題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，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？2A2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1aA/x仃，因此僅適用于邊界層內，不適用整個流體。3、式（54）與導熱問題的第三類邊界條件式（217）有什么區(qū)別？,九a-h=-=0答：軍網y(54)：:tT()-h(tw-tf)oh(211)式（54）中的h是未知量，而式（217）中的h是作為已知

2、的邊界條件給出,此外（217）中的£為固體導熱系數而此式為流體導熱系數，式（54）將用來導出一個包括h的無量綱數，只是局部表面?zhèn)鳠嵯禂?，而整個換熱表面的表面系數應該把牛頓冷卻公式應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外還與主流區(qū)的速度有關，流動速度越大，邊界層越薄，因此導熱的熱阻也就越小，因此起到影響傳熱大小5、對流換熱問題完整的數字描述應包括什么內容？既然對大多數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字描述有什么意義？答：對流

3、換熱問題完整的數字描述應包括：對流換熱微分方程組及定解條件，定解條件包括，（1）初始條件（2）邊界條件（速度、壓力及溫度）建立對流換熱問題的數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系，每一種關系都必須滿足動量，能量和質量守恒關系，避免在研究遺漏某種物理因素?；靖拍钆c定性分析5-1、對于流體外標平板的流動，試用數量級分析的方法，從動量方程引出邊界層厚度的如下變化關系式:解：對于流體外標平板的流動，其動量方程為:：y：uuv:dxxy：x；y根據數量級的關系，主流方的數量級為1,y方線的數量級為61112二一一一v則有從上式可以看出等式左側的數量級為1級，那么，等式右側也是數量

4、級為1級,P1-22為使等式是數量級為1,則v必須是2量級。ggx從量級看為1級1111、=Rexu二x1111vV6量級兩量的數量級相同，所以x與RRex成比例5-2、對于油、空氣及液態(tài)金屬，分別有Pr»1,Pr二1,Pr«1,試就外標等溫平（要能顯示出金與3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的相對大?。＝猓喝缦聢D：Pr1Pr*I（1）qw1=qw2；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:（2）qw1=2qw2；（3）qw1=0。解：如下圖形:5-5、已知：輸

5、送大電流的導線稱為母線，一種母線的截面形狀如圖所示，內管為導體，其中通以大電流，外管起保護導體的作用。設母線水平走向，內外管間充滿空氣。求：分析內管中所產生的熱量是怎樣散失到周圍環(huán)境的。并定性地畫出截面上空氣流動的圖像。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)鳠嵯禂档拇笾聢D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80c的平板置于來流溫度為20c的氣流中.假設平板表面中某

6、點在垂直于壁面方向的溫度梯度為40cl/mm,試確定該處的熱流密度.邊界層概念及分析5-8、已知：介質為25c的空氣、水及14號潤滑油，外掠平板邊界層的流動由層流轉5變?yōu)橥牧鞯撵`界雷諾數Rec=5>d0,u3O=1m/s。求：以上三種介質達到Rec時所需的平板長度。解：（1）25c的空氣V=15.53x10Jm2/SRexu.x1xv=15.5310-6二5105x=7.765m（2） 25c的水V=0.9055M10"6m2/sx=0.45275m（3） 14號潤滑油v=313.7M10m2/sx=156.85m5-9、已知：20c的水以2m/s的流速平行地流過一塊平板，邊界

7、層內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流體的質量流量（以垂直于流動方向的單位寬度計）。解：20c的水v=1.00610,m2/su=2m/su-x20.01(1)x=10cm=0.1mRex6v1.00M10=19880.72小于過渡雷諾數Rex.按(522)6=4.641.00610上0.1工=1.040610m巴/y_1(當3設u二2、2、明（一收什*父3dy243 y1yu：d-產)04 8、35:u：-'48=998.228=1.298kg/m2(2)x=20cm=0.2mc20.02Rex61.00610&quo

8、t;=39761.43（為盡流）£vx4=4.641=4.641.006叱0.02=1.4710gm=，：uxdy=998.225二=1.8341,20y8kg/m5-10、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換。求：流體的速度與溫度分布。曲.”=0解：（1）動量方程式簡化為dp速度。平行平板間的流動dx=0。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換，能量方程為：Pcpu+v.:t：tCc-二0，對于所研究的，f#形，v=0,cX,=0因而得dy,y=0,t-tw1,y=

9、H,t-tw2,由此得且tHtw2-tw1o5-11、已知：如圖，外掠平板的邊界層的動量方程式為:u：:uuv='.x.y；：2u:y2odxdy,y=0,u=0,y=H,u（y）=a,仃為上板求：沿y方向作積分（從y=0到y(tǒng)'5）導出邊界層的動量積分方程。解：任一截面做y=0到y(tǒng)T8的積分二一二一二.2二uuu_,udyivdy=v2dy0:x0Z0；y根據邊界層概念y>u：'u二- -2:uuc二uc:0,:0.2:0故在該處xzy- J.-二-2u-dyvdy=vydy則有。女0可0%（1）vdy=vu二-'udy其中0二y0二y由連續(xù)行方程可得6口

10、18r8ndy=-dy;v=-dy0y0y0x'二u,'二u,'二u,vdyjudyudy所以01y0x0x,：2u”：uv72dy-V-又因為0yc(3)(1)(2)代入(3)uuu.udy-dy-udy=0x0;X0:xd.uu-u:.dydx0故邊界層的動量積分方程為d,.uu-u二dy=vdx05_5-12、已知：1.013父10Pa、100c的空氣以v=100m/s的速度流過一塊平板，平板溫度為30Co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、局部切應力和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?、平均阻力系數和平均表面?zhèn)鳠嵯禂?。tm解：定性溫度10

11、030=65C=0.0293W/mKPr=0.695v=19.5M106m2/sP=1,045kg/m3。Rex（1）x=3cm處，u-x0.03100.6(LCC"5=-=10=1.5381019.5V6=100m0.87/(1.538m105中=0.2218m/s動量邊界層厚度4=4.64M0.03父（1.538父105產=0.355mm=Pr,3、=0.695430.355=0.398mm0.323Pu2-0.3231.04510021.538105=8.61kg.ms2hx=0.332Re12Pr13=0.3320.02931.5381050.695=112.6Wm2Kx0.

12、03比擬理論5-13.來流溫度為20C、速度為4m/s空氣沿著平板流動，在距離前沿點為2m處的局部切應力為多大？如果平板溫度為50C,該處的對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂凳嵌嗌伲?-14.實驗測得一置于水中的平板某點的切應力為1.5Pa.如果水溫與平板溫度分別為15c與60C,試計算當地的局部熱流密度.5-15.溫度為160C、流速為4m/s的空氣流過溫度為30c的平板.在離開前沿點為2m處測得局部表面?zhèn)鳠嵯禂禐閘49W/（m2C）.試計算該處的Rex,NUx,Stx,j,Cf之值.5-16、已知：將一塊尺寸為0.2mm0.2m的薄平板平行地置于由風洞造成的均勻氣體流場中。在氣流速度ug=40m/s的情

13、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。此時氣流溫度匕0=20,平板兩平面的溫度tw=120C。氣體壓力為31.013父10Pa。求：試據比擬理論確定平板兩個表面的對流換熱量。解:0.075/20.20.2=0.9375N/m2=0.9375Pa,邊界層中空氣定性溫度為70C,物性:=1.029kg/m3,Cp=1009J/kg/K,y-20.0210m2/s,Pr-0.694利用Chilton-Colburn比擬：jbCf22/3Cf二StPr21一2?u.-/210.9375221.029402/2-5.6910”Cfh2/3=Pr2：u二CpCfr2/342/3

14、.h=;u：ppPr=5.69101.0294010090.694=23.61.276=30.1W/m2K中=2hAtw-t二=23.010.22120-20=240.9W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值。工程應用5-17.一飛機在10000m高空飛行，時速為600km/h.該處溫度為-40C.把機翼當成一塊平板，試確定離開機翼前沿點多遠的位置上，空氣的流動為充分發(fā)展的湍流？空氣當作干空氣處理.5-18.將一條長度為原型1/4的潛水艇模型放在一閉式風洞中進行阻力試驗.潛水艇水5、下的最大航速為16m/s,風洞內氣體的壓力為6M10Pa,模型長3m,使確定試驗時最大的風速應為多少？潛水艇在水下工作，風洞中的阻力試驗結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）M3mM2.5m（寬）.不計各節(jié)車廂間的間隙，車外空氣溫度為35C,車廂外表面溫度為20C.試估算該火車所需的制