高等传热学部分答案..doc

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7-4，常物性流体在两无限大平行平板之间作稳态层流流动，下板静止不动，上板在外力作用下以恒定速度U运动，试推导连续性方程和动量方程。

解：

按照题意

故连续性方程

可简化为

因流体是常物性，不可压缩的，N-S方程为

x方向：

可简化为

y方向

可简化为

8-3，试证明，流体外掠平壁层流边界层换热的局部努赛尔特数为

证明：

适用于外掠平板的层流边界层的能量方程

常壁温边界条件为

引入量纲一的温度

则上述能量方程变为

引入相似变量

有

；

将上三式和流函数表示的速度代入边界层能量方程，得到

当时，速度边界层厚度远小于温度边界层厚度，可近似认为温度边界层内速度为主流速度，即，则由上式可得

，求解可得

则

8-4，求证，常物性不可压缩流体，对于层流边界层的二维滞止流动，其局部努赛尔特数满足

证明：

对于题中所给情况，能量方程可表示为

其中，

故上式可转化为

经两次积分，得到

定义表面传热系数，则

进一步，进行无量纲化处理，引入局部努赛尔特数

其中

针对层流边界层的条件，查由埃克特给出的计算表如下：

不同Pr数下，常物性层流边界层，的值

m

Pr

0.7

0.8

1

5

10

0

0.292

0.307

0.332

0.585

0.73

0.111

0.331

0.348

0.378

0.669

0.851

0.333

0.384

0.403

0.44

0.792

1.013

1

0.496

0.523

0.57

1.043

1.344

故可看出，，进而，，

由，得

对于二维滞止流，m=1，则h也为常数，从x=0到x处的平均热导率hm定义为

故，

则，由此可看出，

在m=1时，努赛尔特数的近似解可以很好的表示为

同样的，我们也可以得到三维滞止流的近似解

9-1，试证明：

圆管内充分发展流动的体积流量可表示为：

9-2，常物性不可压缩流体在两平行平板间作层流流动，下板静止，上板以匀速U运动，板间距为2b，试证明充分发展流动的速度分布为

证：

二维流体质量、动量方程

①

②

③

在充分发展区，截面上只有沿流动方向的速度u在断面上变化，法向速度v可以忽略，因此可由方程①得:

④

将式④代入③得到，，表明压力P只是流动方向x的函数，即流道断面上压力是均匀一致的

进一步由式②得，⑤

相应的边界条件：

对⑤积分得：

，

1.强迫流动换热如何受热物性影响？

答：

强迫对流换热与Re和Pr有关；加热与对流的粘性系数发生变化。

2.强化传热是否意味着增加换热量？

工程上强化传热的收益和代价通常是指什么？

答：

不一定，强化传热是指在一定条件（如一定的温差、体积、重量或泵功等）下增加所传递的热量。

工程上的收益是减小换热器的体积节省材料和重量；提高现有换热器的换热量；减少换热器的阻力，以降低换热器的动力消耗等。

代价是耗电，并因增大流速而耗功。

3.传热学和热力学中的热平衡概念有何区别？

答：

工程热力学是温度相同时，达到热平衡，而传热学微元体获得的能量等于内热源和进出微元体热量之和，内热源散热是有温差的。

4.表面辐射和气体辐射各有什么特点?

为什么对辐射板供冷房间，无需考虑气体辐射的影响，而发动机缸内传热气体辐射却成了主角？

答：

表面辐射具有方向性和选择性。

气体辐射的特点：

1.气体的辐射和吸收具有明显的选择性。

2.气体的辐射和吸收在整个气体容器中进行，强度逐渐减弱。

空气，氢，氧，氮等分子结构称的双原子分子，并无发射和吸收辐射能的能力，可认为是热辐射的透明体。

但是二氧化碳，水蒸气，二氧化硫，氯氟烃和含氯氟烃的三原子、多原子以及不对称的双原子气体（一氧化碳）却具有相当大的辐射本领。

房间是自然对流，气体主要是空气。

由于燃油，燃煤及然气的燃烧产物中通常包含有一定浓度的二氧化碳和水蒸气，所以发动机缸内要考虑。

5.有人在学完传热学后认为，换热量和热流密度两个概念实质内容并无差别，你的观点是？

答：

有差别。

热流密度是指通过单位面积的热流量。

而换热量跟面积有关。

6.管内层流换热强化和湍流换热强化有何实质性差异？

为什么?

答：

层流边界层是强化管内中间近90%的部分，层流入口段的热边界层比较薄，局部表面传热系数比充分发展段高，且沿着主流方向逐渐降低。

如果边界层出现湍流，则因湍流的扰动与混合作用又会使局部表面传热系数有所提高，再逐渐向于一个定值。

而湍流是因为其推动力与梯度变化和温差有关，减薄粘性底层，所以强化壁面。

7.以强迫对流换热和自然对流换热为例，试谈谈你对传热、流动形态、结构三者之间的关联

答：

对流换热按流体流动原因分为强制对流换热和自然对流换热。

一般地说，强制对流的流速较自然对流高，因而对流换热系数也高。

例如空气自然对流换热系数约为5～25W/（m2•℃），强制对流换热的结构影响了流体的流态、流速分布和温度分布，从而影响了对流换热的效果。

流体在管内强制流动与管外强制流动，由于换热表面不同，流体流动产生的边界层也不同，其换热规律和对流换热系数也不相同。

在自然对流中，流体的流动与换热表面之间的相对位置，对对流换热的影响较大，平板表面加热空气自然对流时，热面朝上气流扰动比较激烈，换热强度大；热面朝下时流动比较平静，换热强度较小。

8.我们经常用Q=hA·Δt.计算强迫对流换热、自然对流换热、沸腾和凝结换热，试问在各种情况下换热系数与温差的关联？

答：

强迫对流的换热系数与Re,Pr有关但与温差无关，自然对流与Gr的0.25次方有关联，即与温差有关，凝结换热换热系数是温差的-0.25次方。

9.试简述基尔霍夫定理的基本思想

答：

一、基尔霍夫第一定律：

汇于节点的各支路电流的代数和等于零，用公式表示为：

∑I=0

又被称作基尔霍夫电流定律（KCL）。

二、基尔霍夫第二定律：

沿任意回路环绕一周回到出发点，电动势的代数和等于回路各支路电阻（包括电源的内阻在内）和支路电流的乘积（即电压的代数和）。

用公式表示为：

∑E=∑RI

又被称作基尔霍夫电压定律（KVL）。

10.简述沸腾换热与汽泡动力学、汽化核心、过热度这些概念的关联

答：

沸腾是指在液体内部以产生气泡的形式进行的气化过程，就流体运动的动力而言，沸腾过程又有大容器沸腾，大容器沸腾时流体的运动是由于温差和气泡的扰动所引起的，沸腾换热会依次出现自然对流区、核态沸腾区、过度沸腾区和膜态沸腾区。

当温度较低时（）壁面过热度小，壁面上没有气泡产生。

当加热壁面的过热度后，壁面上个别点（称为汽化核心）开始产生气泡，汽化核心的气泡彼此互不干扰。

随着进一步增加，汽化核心增加，气泡互相影响，并会合成气块及气柱。

在这两个区中，气泡的扰动剧烈，传热系数和热流密度都急剧增大。

进一步提高，传热规律出现异乎寻常的变化。

这是因为气泡汇聚覆盖在加热面上，而蒸汽排除过程越趋恶化。

这时热流密度达到最低，并且温度达到了过热度，是很不稳定的过程。

II.传热学与实际应用

1.利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大？

答：

当其它条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱蒸发器和冰箱冷冻室（或冷藏室）之间增加了一个附加热阻，因此，要达到相同的制冷室温度，必然要求蒸发器处于更低的温度。

所以，结霜的冰箱耗电量更大。

2.在深秋晴朗无风的夜晚，草地会披上一身白霜，可是气象台的天气报告却说清晨最低温度为2摄氏度，试解释这种现象。

答：

可从辐射换热以及热平衡温度的角度来分析，由于存在大气窗口（红外辐射能量透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口），因此地面可与温度很低的外太空可进行辐射热交换，这样就有可能使地面的热平衡温度低于空气温度

3．请说明在换热设备中，水垢、灰垢的存在对传热过程会产生什么影响，如何防止。

当你设计一台换热器，如果预先考虑结垢的影响，换热器面积将会比理想情况大还是小?

答：

从传热系数或传热热阻角度分析。

在换热设备中，水垢、灰垢的存在将使系统中导热热阻大大增加，减小了传热系数，使换热性能恶化，同时还使换热面易于发生腐蚀，并减小了流体的流通截面，较厚的污垢将使流动阻力也增大。

此外，热流体侧壁面结垢，会使壁面温度降低，使换热效率下降，而冷流体侧壁面结垢，会导致壁温升高，对于换热管道，甚至造成爆管事故。

防止结垢的手段有定期排污、清洗、清灰，加强水处理，保证水质，采用除尘、吹灰设备等。

4.一碗水放在空气中散热，其温度随时间的变化估计是何种趋势？

为什么？

答：

一碗水放在空气中，将会与大气进行自然对流换热和辐射对流换热，开始温度下降较快，而后逐渐变慢，最后趋于环境温度。

5．为强化一台冷油器的传热，有人用提高冷却水流速的办法，但发现效果并不显著，试分析原因。

答：

冷油器中由于油的粘度较大，对流换热表面传热系数较小，占整个传热过程中热阻的主要部分，而冷却水的对流换热热阻较小，不占主导地位，因而用提高水速的方法，只能减小不占主导地位的水侧热阻，故效果不显著。

6．有一台钢制换热器，热水在管内流动，加热管外空气。

有人提出，为提高加热效果，采用管外加装肋片并将钢管换成铜管。

请你评价这一方案的合理性。

答：

该换热器管内为水的对流换热，管外为空气的对流换热，主要热阻在管外空气侧，因而在管外加装肋片可强化传热。

注意到钢的导热系数虽然小于铜的，但该换热器中管壁导热热阻不是传热过程的主要热阻，因而无需将钢管换成铜管。

7．干燥物料有很多种方式：

比如热风干燥、微波干燥、红外干燥等，目前常用的是热风干燥，但热风干燥的缺点是耗能大、表面易起皮和开裂，试从传热传质的角度来分析这一现象

答：

热量从高温热源以各种方式传递给湿物料，使物料表面湿分汽化并逸散到外部空间，从而在物料表面和内部出现湿含量的差别。

但是为了使内部湿量逐步往外走，就要加大能耗，使的表面温度更高，变干。

8.有人存在这样的观点：

由于工质冷凝和沸腾换热系数很高，因此无需进行沸腾和冷凝换热强化

答：

随着工业的发展，特别是高热负荷的出现，相变传热（沸腾和凝结）的强化日益受到重视并在工业上得到越来越多的应用。

一般认为凝结换热系数很高，可以不必采用强化措施。

但对氟里昂蒸汽或有机蒸汽而言，氟利昂是低沸点工质，潜热很小，沸腾换热系数和它们的凝结换热系数比水蒸气小的多。

9.太阳能集热器吸热表面选用具有什么性质的材料为宜?

为什么?

答：

太阳能集热器是用来吸收太阳辐射能的，因而其表面应能最大限度地吸收投射来的太阳辐射能，同时又保证得到的热量尽少地散失，即表面尽可能少的向外辐射能。

但太阳辐射是高温辐射，辐射能量主要集中于短波光谱（如可见光），集热器本身是低温辐射，辐射能量主要集中于长波光谱范围（如红外线）。

所以集热器表面应选择具备对短波吸收率很高，而对长波发射（吸收）率极低这样性质的材料。

10.为什么锅炉中高温过热器一般采用顺流式和逆流式混合布置的方式？

答:

因为在一定的进出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，即采用逆流方式有利于设备的经济运行。

但逆流式换热器也有缺点，其热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得该处的壁温较高，即这一端金属材料要承受的温度高于顺流型换热器，不利于设备的安全运行。

所以高温过热器一般采用顺流式和逆流式混合布置的方式，即在烟温较高区域采用顺流布置，在烟温较低区域采用逆流布置。

1.有一台1-