最新傳熱學(xué)第四版課后題答案第五章資料

1、第五章復(fù)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(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2A x2；，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（2 17）有什么區(qū)別？答：t-y=0(5 4)-諱二 h(tw -tf):h(211)式（54）中的h是未知量，而式（2 17）中的h是作為已知的邊界條件給

2、出,此外（2 17）中的為固體導(dǎo)熱系數(shù)而此式為流體導(dǎo)熱系數(shù)，式（5 4）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)

3、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?；靖拍钆c定性分析5-1、對于流體外標平板的流動，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：對于流體外標平板的流動，其動量方程為:巧 ：:u 1 d 汽u vV 2；x ；ydxxy2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-1 1 12則有1 :.1級,從上式可以看出等式左側(cè)的數(shù)量級

4、為1級，那么，等式右側(cè)也是數(shù)量級為2為使等式是數(shù)量級為 1,則V必須是量級。6 6x 從量級看為1級、._1兩量的數(shù)量級相同，所以 x與Rex成比例5-2、對于油、空氣及液態(tài)金屬，分別有Pr1， Pr = 1， Pr： 1，試就外標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 的相對大?。＝猓喝缦聢D：（要能顯示出：與二xPr(1) qw1 - qw2 ；(2)qw1 =2qw2 ；( 3)qw1=0o5-3、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:解：如下圖形:5-4、已知：某一電子器件的外殼可

5、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。t h5-5、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

6、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 C的平板置于來流溫度為20 C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 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(zhì)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(zhuǎn)5 變?yōu)橥牧鞯撵`界雷諾數(shù) Rec =5 10，U ： ： = 1m/ S。求：以上三種介質(zhì)達到 Rec時所需的平板長度。6 2 解：（1） 25C的空氣V=15.53 10 m /sux 1 x5Rex6 =5 105V =15.53x10 x=7.765m（2）

7、 25C的水 v =0.9055 10 m /s x=0.45275m（3） 14號潤滑油v =313.7 10_6m2/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: 20C的水v =1.006 10占m2 /s u 二 2m/su：x2 0.01(1) x=10cm=0.1mV 1.00 10-6 =19880.72小于過渡雷諾數(shù) Rex.按(522):=4.644.64O。6 O.1 0406 10f

8、h；0 dy 二 U：.0 匕、 3 y 1 y 3u:：22 ( )3dy(2) x=20cm=0.2m、=4.644.64Rex=998.2 28=1.2982 0.021.006 10 =39761.431.006 10 0.02= 1.47 10kg/m2（為盡流）6二 0: Uxdy5= 998.2 21.8348kg /m25-10、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）動量方程式簡化為空色=0dx dy ，y=o, u=0, y=H, u y =二，匚為上板

9、速度。平行平板間的流動肌0dx。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：PcpU?+#0 =k2t dx創(chuàng)），對于所研究的情形,.:t0=0， ：:x ，罕0因而得dyy=0,t tw1 ,y=H, t+t = tw1tw2,由此得5-11、已知：如圖，外掠平板的邊界層的動量方程式為:2:u: u: uu v2:x鋼織。求：沿y方向作積分（從y=0到y(tǒng) - ）導(dǎo)出邊界層的動量積分方程。 解：任一截面做y=0到y(tǒng)的積分cco cO0 2. du,u dy v dy = vRy0 ：x 0 ：y 0 ：y根據(jù)邊界層概念yuu：:2.u u u c0,0.2

10、 :0故在該處x;y:y一 一 一 2Ju 竺 dy + Jv 昱 dy = Jv 弓 dy則有 0 x 0 :y0 :y (1)；uv dy=vu： 其中0:yu dy0 ：:y由連續(xù)行方程可得dy0:y十 v-dyv dy = - u dy u dy(1) (2)代入(3) 0wGU&u5 PIC1d6 ou.x-6 o+d -Ju（u udy故邊界層的動量積分方程為dx 055-12、已知：1.013 10 Pa、100 C 的空氣以v=100m/s的速度流過一塊平板，平板溫度為30C。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?/p>

11、系數(shù)、平均阻力系數(shù)和平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解：定性溫度tm30=65C TOC o 1-5 h z 所以0創(chuàng)0 泳 0& .（ 2）：2U 月：Uv 2dy 二-vi又因為0:：y；y y （3）社=0.0293W/(m K )3Pr = 0.695 v =19.10m2/s P =1,045kg/m 。-眩二00 =1.538(1)x =3cm處，、19.5v芳=100 x0.87/6.538 咒105=0.2218m/s動量邊界層厚度-4.64 0.03 1.538 105= 0.355mm= Pr3、 =0.695 二30.355 = 0.398mm0.323u2：323似5102,8.61

12、kg. rW、1.538 105hx =0.332Re：2 Pr13 =0.332 0.02931.538 105 0.695 = 112.6W. m2 Kx0.03比擬理論5-13 .來流溫度為20 C、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 C，該處的對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是多少？1.5Pa.如果水溫與平板溫度分別為5-14 .實驗測得一置于水中的平板某點的切應(yīng)力為15C與60C，試計算當?shù)氐木植繜崃髅芏?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?shù)為i49Wm2C 試計算該

13、處的Rex,NUx,Stx, j,Cf之值.5-16、已知：將一塊尺寸為 .2m 0.2m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u氨=：40m/s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t： =20 C,平板兩平面的溫度tw = 120 C。氣體壓力為1.013 103Pa。求：試據(jù)比擬理論確定平板兩個表面的對流換熱量。解:0.075/20.2 0.2= 0.9375N /m2= 0.9375Pa邊界層中空氣定性溫度為70C,物性:362= 1.029kg/ m , Cp =1009J/kg/ K , ；： -20.02 10 m

14、 /s , Pr = 0.694利用 Chilton-Colburn 比擬：Cfjb2 M3110.9375=X -5.69 10Cf22 匹/221.029 40 /2jh?L Pr2/32u：Cp= 5.69 10* 1.029 40 1009 0.694= 23.6 1.276 =30.1W/ m2 K2jG=2hAtw -=2 3.01 0.2120 - 20 A 240.9W這說明Chilto n-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(yīng)用5-17 .一飛機在10000m高空飛行，時速為 600km/h .該處溫度為-40 C.把機翼當成一 塊平板

15、，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(nèi)氣體的壓力為 6 10 Pa，模型長3m,使確定試驗時最大的風速應(yīng)為多少？潛水艇在水下工作，風洞中的阻力試驗結(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9（長）3m 2.5m（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