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1、传热学习题课（对流换热部分）,课件制作：尹华杰,第五章 对流换热复习题,1. 试用简明的语言说明热边界层的概念。 答：在对流换热情况下，在固体附近存在一薄流体层，在该层中流体温度沿垂直壁面方向从壁面处的温度等于壁温，急剧变化到流体主流温度，而在流体主流区的温度变化率可视为零。,第五章 对流换热复习题,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：完全二维稳态无内热源情况下的能量方 程： ；边界层能量方程： 。边界层能量方 程的重要特点是：没有项 。,第五章 对流换热复习题,3. 式（5-4）与导热问题和第三类边界条件式 （2-17）有什么区别？ 答：式（5-4） ，式（2
2、-17）为： 。两者的区别是：两式中的导热 系数不同，（5-4）式中的导热系数是流体的，而（2-17）式的导热系数是固体壁的；两者的温度梯度不同，（5-4）式中是流体边界层在壁面处的温度梯度，而（2-17）式中的温度梯度是固体在与流体接触壁面处的温度梯度。式（5-4）中的h未知，（2-17）式中的h已知。其它参数两者相同。,第五章 对流换热复习题,4. 式（5-4）表明，在边界上垂直于壁面的热量传递完全依靠导热，那么在对流换热过程中流体的流动起什么作用？ 答：流体的流动作用为：保持边界层的厚度，因为边界层的产生是由于流体粘性而产生的，流体的流动速度是决定边界层的厚度的主要因素之一；把经边界层以
3、导热形式交换的热量，通过流体流动传出或传入流动的流体，实现对流换热。,第五章 对流换热复习题,5. 对流换热问题完整的数学描写应包括什么内容？既然对大多数实际对流换热问题尚无法求得其精确解，那么建立对流换热问题的数学描写有什么意义？ 答：应包括：质量守恒方程式，即连续性方程；动量守恒方程式，即纳维斯托克斯方程；能量守恒方程式。,第五章 对流换热复习题,对流换热问题的数学描写的意义为：从分析求解方面，可以根据实际对流换热过程，数学公式中各参数及其导数的量级大小分析，简化方程，求得符合实际传热问题的近似解；从数学公式中，可看出动量方程与能量方程存在类似形式，可利用比拟方法，建立两者关系，利用阻力系
4、数相对容易求解或容易测定，求解传热关系式；从实验回归表面传热系数方面，通过控制方程和定解条件，运用相似原理及量纲分析，指导实验设计和数据回归。,第五章 对流换热习题,5-1对于流体外掠平板的流动，试利用数量级分析的方法，从动量方程引出厚度的如下变化关系式： 解：在流动边界层中，y、v的量级是边界层厚度级，u、x的量级较大。在体积力和介质压力可忽略的情况下，稳态、二维、无内热源的动量方程为：,第五章 对流换热习题,等号左端第一项比第二项大很多，忽略第二项；等号右端括号内第一项比第二项小很多，忽略第一项，面对常见流体是2量级。,第五章 对流换热习题,5-2对于油、空气及液态金属。分别有Pr1、Pr
5、1、Pr1。试就外掠等温平板的层流边界层流动，画出三种流体边界层中速度分布与温度分布的大致图像（要能显示出与t的相对大小） 解： 20的液态金属水银：=11.410-8m2/s，Pr=2.7210-2,第五章 对流换热习题,20的空气：=15.0610-6m2/s，Pr=0.703,第五章 对流换热习题,解：20的14#润滑油：=410.910-6m2/s，Pr=4846,第五章 对流换热习题,5-3流体在两平行平板间作层流充分发展的对流传热（见附图）。试画出下列三种情形下充分发展区域截面上的流体温度分布曲线： (1) qw1=qw2； (2) qw1=2qw2； (3) qw1=0。 解：
6、(1) qw1=qw2时，热边界 层相同，流体温度为抛物 线分布,第五章 对流换热习题,(2) qw1=2qw2时，qw1侧热流量 大，流体温度被加热的温 度高，温度梯度大，形成 的边界层薄，qw2侧热流量 小，流体温度被加热的温 度低，温度梯度小，形成 的边界层厚 (3) qw1=0时，qw1侧的热流量 为0，温度梯度为0，qw2侧 热流量一定，温度分布与 正常相同，为抛物线分布,第五章 对流换热习题,5-4设某一电子器件的外壳可以简化成附图所示的形状，截面呈正方形，上、下表面绝热，而两侧竖壁分别维持在th及tc（thtc）。试定性地画出空腔截面上空气流动的图像。 解：th及tc使近壁介质产
7、生密度差，上下壁面绝热，无热量传递，高温侧上升的气体的流速和温度高于低温侧上升的气体的流速和温度。从而形成如图所示的环流。,第五章 对流换热习题,5-7温度为80的平板置于来流温度为20的气流中。假设平板表面中某点在垂直于壁面方向的温度梯度为40/mm，试确定该处的热流密度。 解：气体的定性温度为： 由于一般气体的导热系数与空气的非常接近，采用空气的导热系数：查附录5得，50时：=0.0283W/mK,第五章 对流换热习题,5-8取外掠平板边界层的流动由层流转变为湍流的临界雷诺数（Rec）5105，试计算25的空气、水及14号润滑油达到Rec数时所需的平板长度，取u=1m/s。 解： 查附录8
8、和10，25时：,第五章 对流换热习题,5-23对置于气流中的一块很粗糙的表面进行传热试验，测得如下的局部换热特征性的结果： 其中特征长度x为计算点离开平板前缘的距离。试计算当气流温度t=27、流速u=50m/s时离开平板前缘x=1.2m处的切应力。平壁温度tw=73。 解：由比拟理论，湍流时：,第五章 对流换热习题,5-10两无限大平板之间的流体，由于上板运动而引起的层流粘性流动，文献中常称库埃特流。若不计流体中由于粘性而引起的机械能的转换。试求解流体的速度与温度分布。上板温度为tw2，下板温度为tw1。,第五章 对流换热习题,解：由于为两无限大板间的流动，流速场与温度场与x、z坐标无关，在
9、稳态情况下，仅是y坐标的函数，传热学基本方程：,第五章 对流换热习题,在层流粘性流动条件下，y向速度v=0，x向速度u是y的函数，温度t是y的函数，传热学基本方程成为： 边界条件为：,第五章 对流换热习题,速度和温度分布 由于两板无限大，稳态情况下压力沿x方向的变化率为常数，积分简化动量方程可得： 代入上下面的速度边界条件得：,第五章 对流换热习题,速度和温度分布 积分简化能量方程可得： 代入上下面的温度边界条件得：,第五章 对流换热习题,5-14 实验测得一置于水中的平板某点的切应力为1.5Pa，如果水温与平板温度分别为15与60，试计算当地的局部热流密度。 解：定性温度为： 采用线性插值，
10、查附录9得,第五章 对流换热习题,切应力与Re数的关系 局部换热系数 局部热流密度,第五章 对流换热习题,5-21 夏天，常常将饮料容器置于冰水中来冷却饮料。为了加速冷却，有人提出了这样一个专利：将饮料壳体（例如易拉罐）绕其轴线在冰水中做转动。如果能实现饮料瓶或易拉罐绕其轴线的纯转动，试从对流传热基本方程出发，分析这样的方法能否加速饮料的冷却？,第五章 对流换热习题,答：能加速饮料的冷却。 因为易拉罐中的饮料一般不灌满，当易拉罐水平放置时，上部有一气体空间。易拉罐转动起来后，由于饮料的粘性使饮料与罐体壁一起转动，饮料沿圆周方向发生层间相对运动，其运动速度大于静止时，使Re数增大，边界层减薄，表
11、面传热系数增大，传热量加大，加速饮料的冷却,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,1. 什么叫做两个同类的物理现象相似？相似的物理现象有什么共性？怎样才能做到两个物理现象相似？ 答：如果两个同类的物理现象，在相应时刻与相应地点上与现象有关的物理量一一对应成比例，则称此两物理现象彼此相似。 共性：同名相似特征数相等，单值性条件相似。 在两个同类物理现象的初始条件、边界条件、几何条件和物理条件相似时，可做到两个物理现象相似。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,2.试举出工程技术中相似原理应用的两个例子。 答：泵、风机和压缩机的流体过程非常复杂，在泵、风机和压缩机的设计时常采用相似原理来进行
12、实验和设计。 换热设备的设计也常采用相似原理进行实验和设计。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,3. 当一个由若干个有量纲的物理量所组成的实验数据换成数目较少的无量纲量后，这个实验数据的性质与地位起了什么变化？ 答：可以极大地减少实验次数，并且根据相似原理，个别试验所得出的结果已上升到代表整个相似组的地位，所得结果具有一定的通用性。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,4-1. 什么是内部流动？什么是外部流动？ 答：内部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层可能受到邻近壁面存在的限制，流体被约束在周边封闭的壁面内的流动。 外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层自由发展，不会受到邻
13、近壁面存在的限制的流动。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,4-1. 对流动现象而言，外掠单管的流动与管道内的流动有什么不同？ 答：管道内的流动具有流动边界层特征。外掠单管的流动除具有边界层特征外，还要发生绕流脱体、产生回流、旋涡和涡束。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,4-3. 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？ 答：外掠单管换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展，而管道内流动边界层与热边界层受到通道壁面存在的限制。外部流动中存在着一个边界层外的区域，无论是速度梯度还是温度梯度都可以忽略,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,5. 外掠管束的平均表面传热
14、系数只有当流动方向管排数大于一定数值后才与管排数无关，试分析其原因。 答：流体外掠管排时在管排的前几排流体从均匀流开始，流经每排后流动状态被从新分布，流体的湍动程度增高，由于流量和流动空间一定，流经几排后，湍动程度逐渐被稳定下来，使管束的平均表面传热系数与管排数表现为无关性。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,6-1. 说明充分发展管内对流传热这一概念的含义。 答：充分发展管内流动是指管内的流体状态不再发生变化，这时的边界层基本稳定，换热强度保持不变。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,6-2. 试说明管槽内对流换热的入口效应并简释其原因。 答：入口效应：流体从大空间进入管槽时，流
15、体边界层厚度从零开始增长，靠近管槽中心的流动状态也逐渐从均匀状态向最终的层流或湍流状态发展。从进口的均匀状态到最终的层流或湍流状态之间的区域称为入口段。 入口段的热边界层较薄，局部表面传热系数比充分发展段高，随着边界层增厚，表面传热系数沿主流方向逐渐降低。如果边界层中出现湍流，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，再趋向一个定值。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,7. 说明大空间自然对流换热与有限空间自然对流换热的区别，这与强制对流中的外部流动及内部流动有什么异同？ 答：在空间自然对流换热：流体的冷却过程与加热过程互不影响的自然对流换热。 有限空间自然对流换热：流体
16、的加热与冷却过程相互影响的自然对流换热。 区别就是加热与冷却过程是否相互影响。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,不同点有：流动状态不同，大空间自然对流和有限空间自然对流是自然对流；而强制对流的外部流动及内部流动是强制对流。大空间自然对流的边界层不受干扰，而强制对流外部流动的边界层受主流体流动的干扰。有限空间自然对流的边界层受到干扰程度比管内强制对流边界层受到干扰的程度小。 相同点有：大空间自然对流的边界层和强制对流外部流动的边界层，都不会受到邻近壁面存在的限制。有限空间自然对流和内部流动强制对流的传热均受到邻近壁面的限制。,第六章 单相对流传热的实验关联式复习题,8. 简述射流冲击传热时被冲击表面上局部表面传热系数的
