公用設(shè)備工程師-專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)（暖通空調(diào)、動(dòng)力）-傳熱學(xué)-2.3非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱

公用設(shè)備工程師-專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)（暖通空調(diào)、動(dòng)力）-傳熱學(xué)-2.3非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱[單選題]1.在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程中，瞬態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程根據(jù)溫度的變化特性可以分為三個(gè)不同的階段，下列說(shuō)法中不正確的是()（江南博哥）。[2014年真題]A.在0.2＜Fo＜∞的時(shí)間區(qū)域內(nèi)，過(guò)余溫度的對(duì)數(shù)值隨時(shí)間線(xiàn)性變化B.Fo＜0.2的時(shí)間區(qū)域內(nèi)，溫度變化受初始條件影響最大C.最初的瞬態(tài)過(guò)程是無(wú)規(guī)則的，無(wú)法用非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程描述D.如果變化過(guò)程中物體的Bi數(shù)很小，則可以將物體溫度當(dāng)作空間分布均勻計(jì)算正確答案：C參考解析：非穩(wěn)態(tài)的三個(gè)階段中，初始階段和正規(guī)狀態(tài)階段是以傅里葉數(shù)Fo＝0.2為界限。A項(xiàng)，在正規(guī)狀態(tài)階段（0.2＜Fo＜∞），過(guò)余溫度的對(duì)數(shù)值隨時(shí)間按線(xiàn)性規(guī)律變化；B項(xiàng)，F(xiàn)o＜0.2為初始階段，該階段內(nèi)受初始條件影響較大，且各個(gè)部分的變化規(guī)律不相同；C項(xiàng)，非穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱微分方程在描述非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題時(shí)并未有條件限制，即便是最初階段也是可描述的；D項(xiàng)，畢渥準(zhǔn)則數(shù)Bi為導(dǎo)熱熱阻與對(duì)流熱阻的比值，當(dāng)Bi較小時(shí)，說(shuō)明物體的導(dǎo)熱熱阻接近為零，因此可以將物體溫度當(dāng)作空間分布均勻計(jì)算。[單選題]2.當(dāng)固體導(dǎo)熱過(guò)程Bi數(shù)趨于無(wú)限大時(shí)，描述該物體導(dǎo)熱性質(zhì)的正確說(shuō)法是()。[2016年真題]A.物體溫度可以近似等于流體溫度B.物體內(nèi)部導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)大于物體換熱能力C.物體內(nèi)部溫度變化速度相對(duì)較快D.邊界壁面溫度等于流體溫度正確答案：D參考解析：畢渥準(zhǔn)則（Bi＝hδ/λ）表示物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻（δ/λ）與物體表面對(duì)流換熱熱阻（1/h）的比值，固體導(dǎo)熱過(guò)程Bi數(shù)趨于無(wú)限大時(shí)，導(dǎo)熱熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)流換熱熱阻，這意味著表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)趨于無(wú)限大，即對(duì)流換熱的熱阻趨于零，但內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻的大小無(wú)法確定，這時(shí)物體的表面溫度幾乎從冷卻過(guò)程一開(kāi)始便立即降低到流體的溫度，即邊界壁面溫度等于流體溫度，而物體內(nèi)部的溫度變化未可知。D.對(duì)于普通圓柱體L＝R，R為半徑正確答案：D參考解析：畢渥準(zhǔn)則的公式為：Bi＝hL/λ。式中，h為對(duì)流換熱系數(shù)；L為物體的特征尺度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)Bi＜0.1時(shí)，物體表面的對(duì)流熱阻遠(yuǎn)大于物體的導(dǎo)熱熱阻，熱量在物體內(nèi)部的傳導(dǎo)無(wú)限快，可近似認(rèn)為物體溫度是均勻的，可以采用集總參數(shù)法。計(jì)算物體非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程時(shí)，特征尺度L確定標(biāo)準(zhǔn)為：①對(duì)于無(wú)限大平板，L＝δ，δ為平板厚度的一半；②對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)圓柱體，L＝R/2；③對(duì)于圓球體，L＝R/3，R為半徑；④對(duì)于不規(guī)則的物體，L＝V（體積）/F（散熱面積）。[單選題]5.將初始溫度為t0的小銅球放入溫度t∞的水槽中，如果用集中參數(shù)法來(lái)分析，則在經(jīng)過(guò)的時(shí)間等于時(shí)間常數(shù)時(shí)，τr＝ρcV/（hA）銅球的溫度應(yīng)為()。[2009年真題]A.0.368t∞＋0.632t0B.0.618t∞＋0.382t0C.0.5t∞＋0.5t0D.0.632t∞＋0.368t0正確答案：D參考解析：非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度場(chǎng)與時(shí)間關(guān)系為：可知，當(dāng)時(shí)間τ＝τr＝ρVc/（hA）時(shí)，t＝0.632t∞＋0.368t0。[單選題]6.某小銅球的直徑12mm，熱導(dǎo)率26W/（m·K），密度8600kg/m3，比熱容343J/（kg·K），外部傳熱系數(shù)48W/（m2·K），初始溫度15℃。放入75℃的熱空氣中，該小銅球溫度達(dá)到70℃的時(shí)間大約需要()。[2010年真題]A.915秒B.305秒C.102秒D.50秒正確答案：B參考解析：計(jì)算步驟如下：①判斷是否能用集總參數(shù)法求解。畢渥準(zhǔn)則的公式為：Bi＝hδ/λ。由題意可得，傳熱系數(shù)h＝48W/（m2·K），特征尺寸δ＝R/3＝0.002m，導(dǎo)熱率λ＝26W/（m·K），則Bi＝48×0.002/26＝0.042＜0.1。因此，可以用利用集總參數(shù)法求解。②計(jì)算時(shí)間。應(yīng)用集中參數(shù)法的時(shí)間公式為：因此，該小銅球溫度達(dá)到70℃的時(shí)間大約需要305s。[單選題]7.根據(jù)常熱流密度邊界條件下半無(wú)限大物體的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析解，滲透厚度δ與導(dǎo)熱時(shí)間τ的關(guān)系可以表示為()。（其中α為熱擴(kuò)散系數(shù)，c為常數(shù)）[2017年真題]A.δ（τ）＝ατB.δ（τ）＝cτC.D.正確答案：D參考解析：對(duì)于常熱流密度邊界條件下的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，其熱滲透厚度δ滿(mǎn)足：其中α是物質(zhì)的熱擴(kuò)散系數(shù)，為常數(shù)。則熱滲透厚度δ也可以表示為：式中，c為常數(shù)，且。[單選題]8.下列幾種表達(dá)Bi準(zhǔn)則的含義，正確的應(yīng)是()。A.Bi準(zhǔn)則愈大，則物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻愈小B.Bi準(zhǔn)則愈小，則物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻愈大C.Bi準(zhǔn)則愈大，則物體內(nèi)部溫度愈快趨向于一致D.Bi準(zhǔn)則表示物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻與物體表面對(duì)流換熱熱阻之比正確答案：D參考解析：畢渥準(zhǔn)則是表征物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻δ/λ與物體表面對(duì)流換熱熱阻1/h的比值，即Bi＝hδ/λ＝（δ/λ）/（1/h）。Bi數(shù)值的大小直接反映物體內(nèi)的溫度分布狀況。Bi準(zhǔn)則越小，表示導(dǎo)熱熱阻越小，外部熱阻越大，表示物體內(nèi)部溫度易趨向于均勻；Bi準(zhǔn)則越大，表示導(dǎo)熱熱阻越大，外部熱阻越小，則意味著物體內(nèi)部溫度場(chǎng)的不均勻性非常強(qiáng)烈，情況較復(fù)雜。[單選題]9.關(guān)于Bi和Nu準(zhǔn)則，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()。A.Bi和Nu的表達(dá)式一樣，式中物理量含義相同B.Bi是反映瞬態(tài)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題的無(wú)量綱準(zhǔn)則C.Nu是反映對(duì)流換熱問(wèn)題的無(wú)量綱準(zhǔn)則D.Bi準(zhǔn)則和Nu準(zhǔn)則沒(méi)有關(guān)系正確答案：A參考解析：畢渥準(zhǔn)則Bi和努謝爾準(zhǔn)則Nu的表達(dá)式一樣，都為hl/λ，但式中物理量λ含義不同。Bi數(shù)中，λ是導(dǎo)熱物體的導(dǎo)熱系數(shù)；Nu數(shù)中，λ是流體的導(dǎo)熱系數(shù)。Nu數(shù)的物理意義表示壁面附近的流體的無(wú)量綱溫度梯度，它表示流體對(duì)流換熱的強(qiáng)弱；Bi數(shù)的物理意義是導(dǎo)熱體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻與外部對(duì)流熱阻的相對(duì)大小。[單選題]10.在下列哪種情況下可用集總參數(shù)法求解物體的瞬態(tài)加熱或冷卻問(wèn)題()。A.物體幾何尺寸很小B.物體導(dǎo)熱熱阻很小C.物體導(dǎo)熱系數(shù)很大D.物體與流體間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)很大正確答案：B參考解析：集總參數(shù)法：Bi＜0.1。畢渥數(shù)的定義公式為：Bi＝hδ/λ＝（δ/λ）/（1/h）。式中，h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；δ為特征尺寸；λ為導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)導(dǎo)熱熱阻δ/λ很小或表面對(duì)流換熱熱阻1/h很大即物體與流體間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)很小時(shí)，畢渥數(shù)Bi很小，故可用集總參數(shù)法求解物體瞬態(tài)加熱或冷卻的問(wèn)題。[單選題]11.一直徑為0.5mm的熱電偶，熱電偶材料的λ＝125W/（m·K），ρ＝8930kg/m3，c＝400J/（kg·K）。熱電偶初始溫度為25℃，突然將其放入120℃的氣流中，熱電偶表面與氣流間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h＝95W/（m2·K），求熱電偶的過(guò)余溫度達(dá)到初始過(guò)余溫度的1%時(shí)所需的時(shí)間為()s。A.8～12B.13～17C.18～22D.23～27正確答案：B參考解析：計(jì)算步驟如下：①計(jì)算畢渥準(zhǔn)則數(shù)Bi，判斷是否能用集總參數(shù)法計(jì)算。畢渥準(zhǔn)則數(shù)Bi的計(jì)算公式為Bi＝hδ/λ。式中，h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）；λ為材料的熱導(dǎo)率，W/（m·K）；δ為材料的定型尺寸。在該題中，δ＝d/2＝0.00025m。則Bi＝95×0.00025/125＝0.00019＜0.1。當(dāng)Bi＜1時(shí)，可近似地認(rèn)為物體溫度是均勻一致的，則可以用集總參數(shù)法來(lái)求解問(wèn)題。②用集總參數(shù)法求解時(shí)間τ，即ln（θ/θ0）＝－h(huán)Aτ/（ρcV）。式中，θ為過(guò)余溫度，θ＝t－tf；A為材料面積；V為材料體積；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；ρ為材料密度。則時(shí)間τ為：因此，熱電偶的過(guò)余溫度達(dá)到初始過(guò)余溫度的1%時(shí)所需的時(shí)間為13～17s。[單選題]12.將溫度為20℃的熱電偶突然放入200℃的空氣中，10s后測(cè)得熱電偶的溫度為80℃，則熱電偶溫度上升到180℃所需要的時(shí)間為()。A.49.25sB.54.19sC.65.36sD.35.12s正確答案：B參考解析：由于熱電偶的導(dǎo)熱系數(shù)很大，因此近似認(rèn)為物體溫度是均勻一致的，采用集總參數(shù)法求解問(wèn)