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1、（传热学）第四版课后习题答案（传热学）第一章考虑题1试用简练的语言讲明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联络和区别。答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的互相掺混。联络是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。导热、对流这两种热量传递方式，只要在物质存在的条件下才能实现，而辐射能够在真空中传播，辐射换热时不仅有能量的转移还伴有能量形式的转换。2以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。试写出这三个公式并讲明其中每一个符号及其意义。答：傅立叶定律：d
2、xdtq-=，其中，q热流密度；导热系数；dxdt沿x方向的温度变化率，“表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。牛顿冷却公式：)(fwtthq-=，其中，q热流密度；h外表传热系数；wt固体外表温度；ft流体的温度。斯忒藩玻耳兹曼定律：4Tq=，其中，q热流密度；斯忒藩玻耳兹曼常数；T辐射物体的热力学温度。3导热系数、外表传热系数及传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数，哪些与经过有关？答：导热系数的单位是：W/(m.K)；外表传热系数的单位是：W/(m2.K)；传热系数的单位是：W/(m2.K)。这三个参数中，只要导热系数是物性参数，其它均与经过有关。4当热量从壁面一侧的流体穿过壁面传给另
3、一侧的流体时，冷、热流体之间的换热量能够通过其中任何一个环节来计算经过是稳态的，但本章中又引入了传热方程式，并讲它是“换热器热工计算的基本公式。试分析引入传热方程式的工程实用意义。答：由于在很多工业换热设备中，进行热量交换的冷、热流体也常处于固体壁面的两侧，是工程技术中经常碰到的一种典型热量传递经过。5用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍然平安无事。而一旦壶内的水烧干后，水壶很快就烧坏。试从传热学的观点分析这一现象。答：当壶内有水时，能够对壶底进行很好的冷却水对壶底的对流换热系数大，壶底的热量被很快传走而不至于温度升得很高；当没有水时，和壶底发生对流换热的是气体，由于气体发生对流换热的
4、外表换热系数小，壶底的热量不能很快被传走，故此壶底升温很快，容易被烧坏。6用一只手握住盛有热水的杯子，另一只手用筷子快速搅拌热水，握杯子的手会显著地感到热。试分析其原因。答：当没有搅拌时，杯内的水的流速几乎为零，杯内的水和杯壁之间为自然对流换热，自热对流换热的外表传热系数小，当快速搅拌时，杯内的水和杯壁之间为强迫对流换热，外表传热系数大，热水有更多的热量被传递到杯壁的外侧，因而会显著地感觉到热。7什么是串联热阻叠加原则，它在什么前提下成立？以固体中的导热为例，试讨论有哪些情况可能使热量传递方向上不同截面的热流量不相等。答：在一个串联的热量传递经过中，假如通过每个环节的热流量都一样，则各串联环节
5、的总热阻等于各串联环节热阻的和。例如：三块无限大平板叠加构成的平壁。例如通过圆筒壁，对于各个传热环节的传热面积不相等，可能造成热量传递方向上不同截面的热流量不相等。8.有两个外形一样的保温杯A与B，注入同样温度、同样体积的热水后不久，A杯的外外表就能够感觉到热，而B杯的外外表则感觉不到温度的变化，试问哪个保温杯的质量较好？答：杯子的保温质量好。由于保温好的杯子热量从杯子内部传出的热量少，经外部散热以后，温度变化很小，因而几乎感觉不到热。能量平衡分析1-3淋浴器的喷头正常工作时的供水量一般为每分钟31000cm。冷水通过电热器从15被加热到43。试问电热器的加热功率是多少？为了节省能源，有人提出
6、能够将用过后的热水温度为38送入一个换热器去加热进入淋浴器的冷水。假如该换热器能将冷水加热到27，试计算采用余热回收换热器后洗澡15min能够节省多少能源？1-12在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实验中，得到下列数据：管壁平均温度tw=69，空气温度tf=20，管子外径d=14mm，加热段长80mm，输入加热段的功率8.5w，假如全部热量通过对流换热传给空气，试问此时的对流换热外表传热系数多大？解：根据牛顿冷却公式()fwttrlhq-=2所以()fwttdqh-=49.33W/(m2.k)第二章考虑题1试写出导热傅里叶定律的一般形式，并讲明其中各个符号的意义。答：傅立叶定律的一般形式
7、为：nxtgradtq?-=，其中：gradt为空间某点的温度梯度；n是通过该点的等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向；q为该处的热流密度矢量。2已知导热物体中某点在x,y,z三个方向上的热流密度分别为yxqq,及zq，怎样获得该点的热密度矢量？答：kqjqiqqzyx?+?+?=，其中kji,分别为三个方向的单位矢量量。3试讲明得出导热微分方程所根据的基本定律。答：导热微分方程式所根据的基本定律有：傅立叶定律和能量守恒定律。4试分别用数学语言将传热学术语讲明导热问题三种类型的边界条件。答：第一类边界条件：)(1ftw=时，第二类边界条件：)()(2fxtw=?-时第三类边界条件：)()
8、(fwwtthxt-=?-5试讲明串联热阻叠加原则的内容及其使用条件。答：在一个串联的热量传递经过中，假如通过每个环节的热流量都一样，则各串联环节的总热阻等于各串联环节热阻的和。使用条件是对于各个传热环节的传热面积必须相等。7.通过圆筒壁的导热量仅与内、外半径之比有关而与半径的绝对值无关，而通过球壳的导热量计算式却与半径的绝对值有关，如何理解？答：由于通过圆筒壁的导热热阻仅和圆筒壁的内外半径比值有关，而通过球壳的导热热阻却和球壳的绝对直径有关，所以绝对半径不同时，导热量不一样。6发生在一个短圆柱中的导热问题，在下列哪些情形下能够按一维问题来处理？答：当采用圆柱坐标系，沿半径方向的导热就能够按一
9、维问题来处理。8扩展外表中的导热问题能够按一维问题来处理的条件是什么？有人以为，只要扩展外表细长，就可按一维问题来处理，你同意这种观点吗？答：只要知足等截面的直肋，就可按一维问题来处理。不同意，由于当扩展外表的截面不均时，不同截面上的热流密度不均匀，不可看作一维问题。9肋片高度增加引起两种效果：肋效率下降及散热外表积增加。因此有人以为，随着肋片高度的增加会出现一个临界高度，超过这个高度后，肋片导热热数流量反而会下降。试分析这一观点的正确性。答：错误，由于当肋片高度到达一定值时，通过该处截面的热流密度为零。通过肋片的热流已到达最大值，不会由于高度的增加而发生变化。10在式2-57所给出的分析解中
10、，不出现导热物体的导热系数，请你提供理论根据。答：由于式2-57所描绘的问题为稳态导热，且物体的导热系数沿x方向和y方向的数值相等并为常数。11有人对二维矩形物体中的稳态无内热源常物性的导热问题进行了数值计算。矩形的一个边绝热，其余三个边均与温度为ft的流体发生对流换热。你能预测他所得的温度场的解吗？答：能，由于在一边绝热其余三边为一样边界条件时，矩形物体内部的温度分布应为关于绝热边的中心线对称分布。习题平板2-6一火箭发动机燃烧室是直径为130mm的圆筒体，厚2.1mm，导热系数为23.2W/(mK)。圆筒壁外用液体冷却，外壁温度为240。测得圆筒体的热流密度为4.8106W/，其材料的最高
11、允许温度为700。试判定该燃烧室壁面能否工作于安全温度范围内？解：2-14外径为100mm的蒸气管道，覆盖密度为203/mkg的超细玻璃棉毡保温。已知蒸气管道外壁温度为400，希望保温层外外表温度不超过50。且每米长管道上散热量小于163W，试确定所需的保温层厚度。解：保温材料的平均温度为t=225250400=+由附录7查得导热系数为)./(08475.00023.0033.0KmWt=+=()21212lnttldd-=代入数据得到2d0.314mm所以mmdd107212=-=2-46一厚为7cm的平壁，一侧绝热，另一侧暴露于温度为30的流体中，内热源0.336/10mW?。对流换热外表
12、传热系数为450)./(2KmW，平壁的导热系数为18)./(KmW。试确定平壁中的最高温度及其位置。第三章考虑题1.试讲明集总参数法的物理概念及数学处理的特点答：当内外热阻之比趋于零时，影响换热的主要环节是在边界上的换热能力。而内部由于热阻很小而温度趋于均匀，以致于不需要关心温度在空间的分布，温度只是时间的函数，数学描绘上由偏微分方程转化为常微分方程、大大降低了求解难度。2.在用热电偶测定气流的非稳态温度场时,怎么才能改善热电偶的温度响应特性?答：要改善热电偶的温度响应特性，即最大限度降低热电偶的时间常数hAcvc=,形状上要降低体面比，要选择热容小的材料，要强化热电偶外表的对流换热。3.试
13、讲明无限大平板物理概念,并举出一二个能够按无限大平板处理的非稳态导热问题答；所谓“无限大平板，是指其长宽尺度远大于其厚度，从边缘交换的热量能够忽略不计，当平板两侧换热均匀时，热量只垂直于板面方向流动。如薄板两侧均匀加热或冷却、炉墙或冷库的保温层导热等情况能够按无限大平板处理。4.什么叫非稳态导热的正规状态或充分发展阶段?这一阶段在物理经过及数学处理上都有些什么特点?答：非稳态导热经过进行到一定程度,初始温度分布的影响就会消失，固然各点温度仍随时间变化,但过余温度的比值已与时间无关，只是几何位置(/x)和边界条件(Bi数)的函数，亦即无量纲温度分布不变，这一阶段称为正规状况阶段或充分发展阶段。这
14、一阶段的数学处理特别便利，温度分布计算只需取无穷级数的首项进行计算。5.有人以为,当非稳态导热经过经历时间很长时,采用图3-7记算所得的结果是错误的.理由是：这个图表明,物体中各点的过余温度的比值与几何位置及Bi有关,而与时间无关.但当时间趋于无限大时,物体中各点的温度应趋近流体温度,所以两者是有矛盾的。你能否同意这种看法,讲明你的理由。答：我不同意这种看法，由于随着时间的推移，固然物体中各点过余温度的比值不变但各点温度的绝对值在无限接近。这与物体中各点温度趋近流体温度的事实并不矛盾。6.试讲明Bi数的物理意义。oBi及Bi各代表什么样的换热条件?有人以为,Bi代表了绝热工况,你能否赞同这一观
15、点,为何?答；Bi数是物体内外热阻之比的相对值。oBi时讲明传热热阻主要在边界，内部温度趋于均匀，能够用集总参数法进行分析求解；Bi时，讲明传热热阻主要在内部，能够近似以为壁温就是流体温度。以为oBi代表绝热工况是不正确的，该工况是指边界热阻相对于内部热阻较大，而绝热工况下边界热阻无限大。7.什么是分非稳态导热问题的乘积解法,他的使用条件是什么?答；对于二维或三维非稳态导热问题的解等于对应几个一维问题解的乘积，其解的形式是无量纲过余温度，这就是非稳态导热问题的乘积解法，其使用条件是恒温介质，第三类边界条件或边界温度为定值、初始温度为常数的情况。8.什么是半无限大的物体?半无限大物体的非稳态导热
16、存在正规阶段吗?答：所谓“半大限大物体是指平面一侧空间无限延伸的物体：由于物体向纵深无限延伸，初脸温度的影响永远不会消除，所以半死限大物体的非稳念导热不存在正规状况阶段。9.冬天，72的铁与600的木材摸上去的感觉一样吗，为何？10.本章的讨论都是对物性为常数的情形作出的,对物性温度函数的情形,你以为如何获得其非稳态导热的温度场?答：从分析解形式可见，物体的无量纲过余温度是傅立叶数2/l的负指数函数，即表示在一样尺寸及换热条件下，导温系数越大的物体到达指定温度所需的时间越短、这正讲明导温系数所代表的物理含义。习题集总参数法分析36一初始温度为t0的物体，被置于室温为t的房间中。物体外表的发射率
17、为，外表与空气间的换热系数为h。物体的体集积为V，参数与换热的面积为A，比热容和密度分别为c及。物体的内热阻可忽略不计，试列出物体温度随时间变化的微分方程式。解：由题意知，固体温度始终均匀一致，所以可按集总热容系统处理固体通过热辐射散到周围的热量为：)(441-=TTAq固体通过对流散到周围的热量为：)(2-=TThAq固体散出的总热量等于其焓的减小ddcvqqt-=+21即ddcvTThATTAt-=-+-)()(44315一种火焰报警器采用低熔点的金属丝作为传热元件，当该导线受火焰或高温烟气的作用而熔断时报警系统即被触发，一报警系统的熔点为5000C，)/(210KmW?=，3/7200m
18、kg=，)/(420KkgJc?=，初始温度为250C。问当它忽然遭到6500C烟气加热后，为在1min内发生报警讯号，导线的直径应限在多少以下？设复合换热器的外表换热系数为)/(122KmW?。解：采用集总参数法得：)exp(0cvhA-=，要使元件报警则C0500)exp(65025650500cvhA-=-，代入数据得D0.669mm验证Bi数：05.0100095.04)/(34-5、试将直角坐标中的常物性无内热源的二维稳态导热微分方程化为显式差分格式，并指出其稳定性条件)yx?。解：常物性无内热源二维非稳态方程微分方程为?+?=?2222ytxtat扩散项取中心差分，非稳态项取向前差
19、分：()()?+-+?+-=?-+-+211211122ytttxtttattinininininininin所以有()inininintyxattyxat?+?+?+?=-+2211221112111稳定性条件2/1+?yxFoFo第五章温习题1、试用简明的语言讲明热边界层的概念。答：在壁面附近的一个薄层内，流体温度在壁面的法线方向上发生剧烈变化，而在此薄层之外，流体的温度梯度几乎为零，固体外表附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为温度边界层或热边界层。2、与完全的能量方程相比，边界层能量方程最重要的特点是什么？答：与完全的能量方程相比，它忽略了主流方向温度的次变化率22xA，因而仅适用于边
20、界层内，不适用整个流体。3、式54与导热问题的第三类边界条件式217有什么区别？答：=?-=yytth54)()(fwtthht-=?-211式54中的h是未知量，而式217中的h是作为已知的边界条件给出，此外217中的为固体导热系数而此式为流体导热系数，式54将用来导出一个包括h的无量纲数，只是局部外表传热系数，而整个换热外表的外表系数应该把牛顿冷却公式应用到整个外表而得出。4、式54外表，在边界上垂直壁面的热量传递完全依靠导热，那么在对流换热中，流体的流动起什么作用？答：固体外表所构成的边界层的厚度除了与流体的粘性有关外还与主流区的速度有关，流动速度越大，边界层越薄，因而导热的热阻也就越小
21、，因而起到影响传热大小5、对流换热问题完好的数字描绘应包括什么内容？既然对大多数实际对流传热问题尚无法求得其准确解，那么建立对流换热问题的数字描绘有什么意义？答：对流换热问题完好的数字描绘应包括：对流换热微分方程组及定解条件，定解条件包括，1初始条件2边界条件速度、压力及温度建立对流换热问题的数字描绘目的在于找出影响对流换热中各物理量之间的互相制约关系，每一种关系都必须知足动量，能量和质量守恒关系，避免在研究遗漏某种物理因素。()KmWxhxx?=?=2531216.112695.010538.103.00293.0332.0PrRe332.0比较理论5-13来流温度为20、速度为4m/s空气
22、沿着平板流动，在距离前沿点为2m处的局部切应力为多大？假如平板温度为50，该处的对流传热外表传热系数是多少？第六章温习题1、什么叫做两个现象类似，它们有什么共性？答：指那些用一样形式并具有一样内容的微分方程式所描绘的现象，假如在相应的时刻与相应的地点上与现象有关的物理量逐一对于成比例，则称为两个现象类似。凡类似的现象，都有一个特别重要的特性，即描绘该现象的同名特征数准则对应相等。1初始条件。指非稳态问题中初始时刻的物理量分布。2边界条件。所研究系统边界上的温度或热六密度、速度分布等条件。3几何条件。换热外表的几何形状、位置、以及外表的粗糙度等。4物理条件。物体的种类与物性。2试举出工程技术中应
23、用类似原理的两个例子3当一个由若干个物理量所组成的试验数据转换成数目较少的无量纲以后，这个试验数据的性质起了什么变化？4外掠单管与管内流动这两个流动现象在本质上有什么不同？5、对于外接管束的换热，整个管束的平均外表传热系数只要在流动方向管排数大于一定值后才与排数无关，试分析原因。答：因后排管遭到前排管尾流的影响扰动作用对平均外表传热系数的影响直到10排管子以上的管子才能消失。6、试简述充分发展的管内流动与换热这一概念的含义。答：由于流体由大空间进入管内时，管内构成的边界层由零开场发展直到管子的中心线位置，这种影响才不发生变法，同样在此时对流换热系数才不受局部对流换热系数的影响。7、什么叫大空间
24、自然对流换热？什么叫有限自然对流换热？这与强迫对流中的外部流动和内部流动有什么异同？答：大空间作自然对流时，流体的冷却经过与加热经过互不影响，当其流动时构成的边界层互相干扰时，称为有限空间自然对流。这与外部流动和内部流动的划分有类似的地方，但流动的动因不同，一个由外在因素引起的流动，一个是由流体的温度不同而引起的流动。8简述射流冲击传热时被冲击外表上局部外表传热系数的分布规律9简述数数，数，GrNuPr的物理意义BiNu数与数有什么区别？10对于新碰到的一种对流传热现象，在从参考资料中寻找换热的特征数方程时要注意什么？类似原理与量纲分析61、在一台缩小成为实物1/8的模型中，用200C的空气来
25、模拟实物中平均温度为2000C空气的加热经过。实物中空气的平均流速为6.03m/s，问模型中的流速应为若干？若模型中的平均外表传热系数为195W/(m2K)，求相应实物中的值。在这一实物中，模型与实物中流体的Pr数并不严格相等，你以为这样的模化试验有无实用价值？用价值的。这样的模化试验是有实分相近数并不严格相等，但十型与流体的上述模化试验，固然模得：又由：时的物性参数为：和空气在应相等实物中的根据类似理论，模型与解：Pr)/(99.3659.293.381195)(/85.2003.6885.3406.15)(680.0Pr,/1093.3,/1085.34200703.0Pr,/1059.2
26、,/1006.15C2020020Re212212212221122211222262121261KmWllhhNuNusmullululuKmWsmCKmWsmCClll?=?=?=?=?=?=?=?=?=?-614、已知：Pa510013.1?下的空气在内径为76mm的直管内流动，入口温度为65，入口体积流量为sm/022.03，管壁的平均温度为180。求：管子多长才能使空气加热到115。解：定性温度90211565=+=ft，相应的物性值为：3/972.0mkg=()()()690.0Pr,/105.21,/1013.3,/009.162=?=?=?=-smkgKmWKkgkJcp在入口
27、温度下，3/0045.1mkg=，故进口质量流量：skgmkgsmm/10298.2/0045.1/022.0233-?=?=，46210179065.21076.01416.31010298.244Re=?=-dm，先按60/dl计，()KmWhNu?=?=?=24.08.00/62.20076.00313.008.50,08.5069.017906023.0空气在115时，()KkgkJcp?=/009.1，65时，()KkgkJcp?=/007.1。故加热空气所需热量为： ()()Wtctcmpp3.11626510007.111510009.102298.033=?-?=-=采用教材P
28、165上所给的大温差修正关系式：885.04533631802739027353.053.053.0=?=?+=?=wftTTc。所需管长：()()mttdhlfw96.290180885.062.20076.01416.33.1162=?=-=606.38076.0/96.2/膜内只要导热而无对流，简化了能量方程。3有人讲，在其他条件一样的情况下水平管外的凝结换热一定比竖直管强烈，这一讲法一定成立？答；这一讲法不一定成立，要看管的长径比。4为何水平管外凝结换热只介绍层流的准则式？常压下的水蒸气在10=-=?wsttt的水平管外凝结，假如要使液膜中出现湍流，试近似地估计一下水平管的直径要多大?
29、答：由于换热管径通常较小，水平管外凝结换热一般在层流范围。对于水平横圆管：()rttdhRwse-=4()4132729.0?-=wsttdgrh临界雷诺数()()1600161.9Re434541324343=-=rgttdwsc由100=st,查表：kgkJr/2257=由95=pt，查表：3/85.961mkg=()KmW?=/6815.0()smkg?=-/107.2986 ()()mgttrdws07.23.976313235=-=即水平管管径到达2.07m时，流动状态才过渡到湍流。5试讲明大容器沸腾的tq?曲线中各部分的换热机理。6对于热流密度可控及壁面温度可控的两种换热情形，分别
30、讲明控制热流密度小于临界热流密度及温差小于临界温差的意义，并针对上述两种情形分别举出一个工程应用实例。答：对于热流密度可控的设备，如电加热器，控制热流密度小于临界热流密度，是为了防止设备被烧毁，对于壁温可控的设备，如冷凝蒸发器，控制温差小于临界温差，是为了防止设备换热量下降。7试比照水平管外膜状凝结及水平管外膜态沸腾换热经过的异同。答：稳定膜态沸腾与膜状凝结在物理上同属相变换热，前者热量必须穿过热阻较大的汽膜，后者热量必须穿过热阻较大的液膜，前者热量由里向外，后者热量由外向里。8从换热外表的构造而言，强化凝结换热的基本思想是什么?强化沸腾换热的基本思想是什么？答：从换热外表的构造而言，强化凝结换热的基本思想是尽量减薄粘滞在换热外表上液膜的厚度，强化沸腾换热的基本思想是尽量增加换热外表的汽化核心数。9在你学习过的对流换热中外表传热系数计算式中显含换热温差的有哪几种换热方式？其他换热方式中不显含温差能否意味着与温差没有任何关系?答：外表传热系数计算式中显含换热温差的有凝结换热和沸腾换热。不显含温差并不意味着与温差无关，温差的影响隐含在公式适用范围和物件计算中。