高等工程传热学

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1、第一章1分析各种形态物质的导热机理。 2. 傅里叶定律的矢量表达式以及应用傅里叶定理要遵循的条件。 3. 导热问题的三类边界条件，并分析第三类边界条件在什么情况下转化为第一 类和第二类边界条件。 4. 导热问题的主要求解方法，分析每种求解方法的优缺点。 5. 以偏心中空圆柱体的二维导热为例，说明采用摄动法求解问题的主要过程。 6. 何为烧蚀？并举例说明。第二章1. 边界层微分方程是通过什么方法求得的？它和边界层积分方程有何异同？ 2. 湍流的基本特点？为什么对于湍流连续性介质的假设仍然适用？ 3. 根据卡门的边界层三层模型，湍流边界层分哪几部分？ 4. 定性分析普朗特数对层流和湍流热起始段的影

2、响，并简要分析其原因。 5. 综合分析自然对流和强制对流的不同之处。 6. 相变换热的主要特点及其分类。 7. 什么是滞止温度，实际滞止温度和温度恢复系数？ 8. 简述描述核态沸腾换热机理的几种模型。 9. 以垂直管内流动为例，说明其沸腾的流型和传热的工况。 10. 简述实现珠状凝结的主要途径。第三章1. 什么是热辐射？和其他换热方式相比，辐射换热有哪些主要特点？ 2. 根据量子理论，定义介质对辐射的吸收和发射。 3. 散射的定义及其分类。 4.和其他形式的传热相比，辐射传热的能量方程在拿下方面发生了变化？ 5. 根据光学厚度来分析辐射状态。第五章1. 总体来说，如何强化对流换热？ 2. 应用

3、强化传热技术时，必须遵循的三大原则。 3. 对流换热时如何增加速度场和温度梯度场的协同性？ 4. 对流换热的场协同原理的具体描述是什么？ 5. 评价强化换热性能的常用的三个性能指标。 6. 如何对单相流管内流动进行强化？ 7. 分析采用纤毛肋来强化管内单相流动对流换热的机理。 8.采用扩展面是如何强化池沸腾换热的？第六章1. 一个成功的换热器的设计，需要遵循哪些设计准则？ 2. 换热器选型时需要考虑的主要的因素有哪些？ 3. 如果换热器内的工作流体自行选择，那么此时的工作流体有什么基本要求？ 4. 在管壳式换热器中两种流体谁走管程谁走壳程，应该如何决定？5. 对于多台换热器组成的换热器网络，为

4、了获得最大的节能效果，应该采取哪 些措施？ 6. 翅片管式换热武器的主要优缺点？ 7. 什么是高温换热器？主要用途是什么？如何分类？ 8. 折流杆管壳式换热器中存在的诱导震动对换热器的损害。 9 作为一种新型的换热器，折流杆管壳式换热器主要存在哪些不足？第一章1. 导热的机理与物质的结构紧密相关，按物质分为固液气，其导热机理也不同。 在金属导体和其他导电固体中， 导热是由于自由电子、 声子和晶格结构的振动引 起的，其中自由电子的运动起着主要作用。非导电固体的导热主要依靠声子。气 体的导热是由气体分子不规则热运动时相互碰撞引起的。对于液体而言， 导热即 依靠气体的运动，又依靠声子，其导热机理介于

5、固体和气体之间。 2. 使用傅里叶定律应该注意的条件： （1）它只适用于各向同性材料的导热过程。 （2）它只适用于温度分布光滑连续的情况。 （3）在有限热扰动传播速度的情况下，必须对傅里叶定律进行修正。 （4）若温度场确定，根据傅里叶定律热流密度就唯一确定，但是若是已知热流 密度矢量场，温度场却不能唯一的确定下来。 3. 边界条件规定了导热过程进行的特定环境。第一类边界条件是给出边界面上 得温度分布及其随时间的变化规律。 第二类边界条件直接给出了边界面上的热流 密度及其随时间的变化。 第三类边界条件直接给出了边界面上的换热状态，通常 是流体温度和流体之间对流换热上网表面传热系数。当表面传热系数

6、很大时， 可 以近似认为避免温度等于流体温度， 于是第三类边界条件就转化为第一类边界条 件；如果表面传热很小， 避免温度和流体温度相差很远，可以认为边界处于恒热 流，则第三类边界条件转化为第二类边界条件。 4. 导热问题的求解方法很多，通常分为分析解法、近似分析解法、数值解法、 比拟法和图解法。 分析解又称精确解， 只能对某些简单的物体的线性导热问题求 解，因此它的应用受到很大的限制。近似分析解法可以求解非线性导热问题、几 何形状复杂的导热问题等， 但是它只能近似地反映物体内部的温度分布。数值解 法能够求解各种复杂的导热问题，只要节点足够多，数值解的精度就会很高。 5. 首先确定一个该问题的摄

7、动量，把导热微分方程和边界条件用无量纲形式表 示，把圆柱上任一点到圆心的距离用一待定的函数表示出来，假设温度场的解， 带入无量纲的导热微分方程中，得到无量纲温度的相关方程，然后求解。 6. 烧蚀又称销熔，固体物质在融化过程中，溶化物被完全排除掉，所以固体物 质的厚度在逐渐变薄， 其表面随着时间的推移而向后移动，表面温度则保持为相 变温度，仅在固体内部有一温度分布。 所以烧蚀问题的本质是一个具有移动边界 的导热问题。第二章1. 边界层微分方程通过两种方法求解，一种是数量级比较法，根据问题把某些 量看成 1，把比它小得多的量看成小量，然后对复杂的量按数学运算计算，最后 把对应小量的项从等式中除去，

8、 即得简化后的边界层微分方程。 一种是利用摄动 法。先把原来的微分方程化成无量纲的形式，选取摄动量， 将无量纲量对摄动量作级数展开并带入无量纲的式中，按摄动量的阶数整理， 利用等阶数的摄动量的 系数相等最后化成有量纲的形式即可。根据取级数的不同， 可以得到不同阶的边 界层方程。 两者的不同： 边界层微分方程虽然是简化之后的方程，但是它还是非线性的。 对 于复杂边界条件的求解相当困难，甚至无法求解。 而边界层积分方程在求解时相 对容易的多，但它得到的解是一种近似解，不够精确。 2. 湍流是一种随机的、非稳态的、三维有旋流动，流动时有各种尺寸的涡，涡 的大小、强度都不同，而且涡发生的地点、范围和周

9、期极不规则，大涡中会有小 涡，随着流动得进行，大涡会分裂成小涡，小涡由于粘性耗散不断消失。实验观 察发现湍流中涡团的尺度远远超过分子的平均自由程，涡团可以看成是由紧密 排列的分子组成，因此连续性介质的假设仍然适用。 3. 根据卡门的边界层三层模型，在湍流边界层中贴近壁的一极薄层流体为层流， 层流底层之外是缓冲层， 而后是湍流核心层。 在层流底层中， 流体的湍流脉动非 常小，雷诺应力可以忽略不计。 4. 普朗特数对层流和湍流热起始段的影响在定性上是相反的：层流时热起始段 的长度随着普朗特数的增大而增大， 湍流热起始段的长度随普朗特数的增大而减 小。原因是：层流时，普朗特数越大，分子的热扩散系数越

10、小，从进口处的均匀 温度分布变化到充分发展段的温度分布需要的距离较长：湍流时， 普朗特数越大， 温度梯度越集中在近璧的层流底层， 因此从进口处的均匀温度分布变化到充分发 展时的温度分布所需的距离就短。 5. （1）换热的机理不同。自然对流是由于流体内部的温度差形成的密度差和浮 生力而引起的流动，强制对流是由外部的动力使流体受迫流动而引起的。 （2）动量方程不同。自然对流比强制对流多了一项浮生力。 （3）边界层方程不同。 （4）求解方法不同 .自然对流中方程互相耦合，求解有一定的难度。 6. 和非相变换热相比，相变换热有两个显著特点，一是相变换热过程非常强烈， 因为有相变潜热的释放和吸收， 换热

11、系数往往差几个数量级， 二是由于相变的发 生，相变换热的规律在物理机制和影响因素上与单相流动换热存在根本的差别。 相变换热有沸腾换热、凝结换热、熔化换热、凝固换热。 7. 当气流以很高的速度外掠物体并受到阻滞时，气流的一部分动能将不可逆转 的转变为热能， 该热能将加热气流使其温度上升。在驻点处温度为零， 气流被安 全滞止，其全部动能转变为热量， 此时气体达到的温度层滞止温度。这是一种理 想的情况，它忽略了流体的粘性摩擦和因导热引起的热量传递，实际情况下能达 到的滞止温度称实际滞止温度。 温度恢复系数表示实际滞止温度和理想滞止温度 的差距。 8. 核态沸腾换热机理有三种主要模型，分别是对流类比模

12、型、气液交换模型和 液体微层汽化模型。 对流类比模型认为沸腾换热过程实质上是一个由于气泡的运 动而被强化了的加热面和液体之间的对流换热模型。气液交换模型又称活塞模 型，该模型认为气泡长大过程中，加热面附近存在有周期性的气液交换。气泡在 加热面上成长时， 壁面附近的过热液体层被推离加热表面，远离加热表面的较冷 的液体进入原来被气泡所占据的空间，与加热面发生热交换。 液体微层汽化模型 认为在液体沸腾时， 在成长气泡和加热面之间存在着一层液体微层，在气泡长大 过程中，该液体微层不断蒸发， 产生的蒸汽一部分用来使气泡长大，另一部分则 在气泡顶部的气液界面上凝结， 并向周围液体放热。 微层汽化模型是液体

13、核态沸腾换热中一种重要的热量转移方式。 由于微层汽化只发生在气泡成长过程中的某 一特定阶段，所以只考虑微层汽化机理不能全面反映核态沸腾换热的全部特征。 它们都是从某一角度反映发生在核态沸腾过程中的某些局部过程，它们在沸腾的 不同阶段起着不同的作用， 为了全面正确反映液体核态沸腾的全过程，出现了各 种所谓的复合机理模型。 9.垂直管内沿着流动方向其流型的变化依次是：单相液体、泡状流动、弹状流动、 环状流动、 带有夹带的环状流动、 雾状流动和单相蒸汽流动。 对应的传热工况依 次是：单相液体的对流传热、过冷沸腾、饱和核态沸腾、通过液膜的强制对流换 热、缺液区又称干涸区，最后是向蒸汽的对流换热。 10

14、. 实现珠状凝结的必要条件是凝结液体不能润湿表面。可行的主要方法有： （1） 采用易珠化的表面材料， 并将其表面高度磨光。 实验表明粗超度小于0.05 0.10 微米时，为珠状凝结。 （2）在材料表面上镀贵金属覆盖层。此法价格昂贵， 很难在工业上大规模采用。 （3）在表面涂聚合物涂层。 （4）在蒸汽中加入助凝剂。此法的缺点是污染工质，并且需要定期添加。第三章1. 热辐射是有热的原因引起的以电磁波的形式传递能量的过程。它和导热、对 流相比有很多不同之处，主要表现在： （1）它以电磁波的方式传递能量，不需要 介质，在真空中传递效率最高。 （2）热辐射过程中不仅有能量的转移，还有能量 形式的转换。

15、（3）辐射过程是一个动态平衡过程，当达到平衡时仍然有吸收和辐 射存在。 （4）辐射过程存在近程和远程效应之分。 2. 根据量子理论，相干介质对辐射的吸收和发射过程的本质，是处于不同的量 子化能及的原子或分子发生跃迁的结果，吸收是介质吸收了光子能量， 原子或分 子由低能级向高能级跃迁的过程。相反，发射是介质由于发射二楞光子能量，原 子或分子由高能级向低能级跃迁的过程。 3. 光子碰到气体中的分子或悬浮粒子时，传播方向发生了变化，这种变化的过 程称为散射。 散射分为分子散射、 微粒散射和相干散射。 光子碰到气体中的分子 后其传播方向发生了变化的过程是分子散射。光子碰到气体中的微粒 （如：粉尘、 煤

16、粉、水粒等悬浮粒子）后，其传播方向发生变化的过程称微粒散射。频率保持 不变的散射称之为相干散射。 4. 由于辐射换热不同于其他换热方式，动量方程和能量方程将发生变化，这主 要是由以下三个方面影响的结果：（1） 流体元素具有以辐射能量通量传热的本领。 （2）流体元素除了含有分子能量（即热力学能）之外还含有辐射能。（3）辐射 压强的存在使流体的动压增大。 5. 光学厚度的定义是特征长度和光子平均自由行程之比。（1）若光学厚度 1， 即光子自由行程远小于特征尺寸， 光子在很短的自由行程内就被其他流体元素吸 收或散射了， 即介质中的每一个流体分子很容易受到相邻流体分子的影响，扩大 的说，介质中的每一微元体， 直接受到相邻周围介质的影响，辐射能在介质中的 传播是借助于媒介物的作用，这与分子连续介质中的导热具有相似的传递过程， 称这种介质中的辐射传递称为“扩散型传递”，又称“光学厚极限”。 （2）若光学 厚度 1，即光子自由行程远远大于特征尺寸，此时光子直接到达固体表面，光 子在沿途被吸收的数量小=到可以忽略，因此，每个流体元素都直接与固体边界 表面进行辐射交换，但是不同元素之间不存在辐