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1、传热学（机械2009级）试题参考答案及评分标准2011-2012学年下学期时间120分钟传热学课程32学时2学分考试形式：开卷专业年级：机械09级总分100分，占总评成绩_70_%注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上1. 一、填空（每空1分，总计20分）传热的三种基本方式有热传导、热辐射、热对流。2. 毕渥数是导热分析中的一个重要的无因次准则，它表征了固体内部导热热阻与界面上换热热阻之比。3. 对流换热过程的单值性条件有几何、物理、时间、边界四项。4. 肋效率的定义为肋片实际散热量与肋片最大可能散热量之比。5. 已知某一导热平壁的两侧壁面温差是30C,材料的导热系数是22弘（m.K），通过
2、的热流6. 密度是300%m,则该平壁的壁厚是2.2m从流动起因，对流换热可分为自然对流、强制对流。7. 格拉晓夫准则的物理意义流体流动时浮升力与粘滞力之比的无量纲量：表达式Grgvtic.。8. 黑体是指反射率为0的物体，白体是指吸收率为0的物体。9. 一个由两个表面所构成的封闭系统中，若已知两表面面积A1=0.5A2,角系数X1,2=0.6，贝UX2,1=0.3。10. 角系数具有相对性、完整性、可加性的特性。二、简答题（25分）1、简单归纳一下导热问题中常见的几类边界条件以及其定义。（5分）解：导热问题主要有以下三类边界条件：（1）第一类边界条件：该条件是给定系统边界上的温度分布，它可以
3、是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值。（2）第二类边界条件：该条件是给定系统边界上的温度梯度，即相当于给定边界上的热流密度，它可以是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值。（3）第三类边界条件：该条件是第一类和第二类边界条件的线性组合，常为给定系统边界面与流体间的换热系数和流体的温度，这两个量可以是时间和空间的函数，也可以为给定不变的常数值。2、求解导热问题有哪三种基本方法，简述各自的求解过程及特点。（6分）解：求解导热问题的三种基本方法是：（1）理论分析法；（2）数值计算法；（3）实验法三种方法的基本求解过程有：（1）所谓理论分析方法，就是在理论分析的基础上，直接对微分方程在给定
4、的定解条件下进行积分，这样获得的解称之为分析解，或叫理论解；（2）数值计算法，把原来在时间和空间连续的物理量的场，用有限个离散点上的值的集合来代替，通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代数方程，从而获得离散点上被求物理量的值；并称之为数值解；（3）实验法就是在传热学基本理论的指导下，采用对所研究对象的传热过程所求量的方法三种方法的特点：分析法能获得所研究问题的精确解，可以为实验和数值计算提供比较依据；局限性很大，对复杂的问题无法求解；分析解具有普遍性，各种情况的影响清晰可见。数值法在很大程度上弥补了分析法的缺点，适应性强，特别对于复杂问题更显其优越性；与实验法相比成本低。实验法是传热学的基
5、本研究方法，适应性不好；费用昂贵。3、在对流传热理论中，什么是边界层？如何确定边界层的厚度？（8分）解：对流传热理论中，有两种边界层，分别是流动边界层和温度边界层。当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯度很大的流动边界层；当壁面与流体间有温差时，也会产生温度梯度很大的温度边界层（或称热边界层）。从y=0、u=0开始，u随着y方向离壁面距离的增加而迅速增大；经过厚度为6的薄层，u接近主流速度u:，把u/u：=0.99处离壁的距离定义为流动边界层厚度；而对于温度界层，当温度随着y方向离壁面距离的增加而迅速变化，当温度达到如下情况时y=0,丸=T-Tw=0y-t,二T-Tw=0.99、t即为边界层的
6、厚度，且与t不一定相等。4、夏天人在同样温度（如：25度）的空气和水中的感觉会不一样，请用传热学理论解释为什么；（6分）解：由于水的导热系数和空气的导热系数不一样，所以根据基本导热定律可知同等温差和相同的接触面积下，交换的热量是不一样的；另外从对流换热角度分析，水和空气的对流换热相关参数也不一样，对流换热效率也不一样。所以人体表的散热情况会不一样，感觉也不一样。、计算题：（55分）1一房屋的混凝土外墙的厚度为;=200mm，混凝土的热导率为=1.5W/（mK），冬季室外空气温度为tf2=-10C,有风天和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/（m2K），室内空气温度为tfi=25C，和墙壁之间
7、的表面传热系数为hi=5W/（m2K）。假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。（10分）解：由给定条件可知，这是一个稳态传热过程。通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散热损失为tf1tf2q=-r+h-ih225-(-10)K1*0.15m*15W(m2K)1.5W(mK)20W(m2K)2=100W/m根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热q-h2tw2_tf2，同时有q=h1tf1-tw11所以有tw2=tf2q15Ch21tw1二tf1-q5Chi2分2分2分2分2分2、在图3所示的有内热源的二维稳态导热区域中，
8、一个界面绝热，一个界面等温温度为t0（含节点4）,其余两个界面与温度为tf的流体对流换热，、h均匀，内热源强度为门，试列出节点2、3、6、8、9、10的离散方程式。（15分）解：节点2:节点3:3d、Xx.2、yfhx=Ay_如x1：x：y=0y2；宁亍即、八；节点节点，匕-y、y2、x1x、y=0;、y.22节点岁诗y七诗0;节点10:也+入tk迴扎M（心）中xM一Axh（hiS_t10Z(2丿Z(2丿10y0-tf=0，也g二x:lx5&iy.：xiy=0：y：x：yx当以上诸式可简化为:2t6+右+t34t2+也y2?】=0节点2:匕丿；0.5分VxVy节点3:t2-2t7t4-4t30
9、；0.5分&生t7+匕0叫5+t74t6+也y=0节点6:0.5分VxVy*节点8:t42t7t124t80；0.5分kt5+t10+2tf2(1+t9+1Ay=0节点9:2.0.5分2t6+t9+t11+2.i回|1-2,2+回*10“y2让卜0节点10:I丸丿I九丿I九丿0.5分注：可以不经过上述过程直接写出方程；写对一个计2.5分，写错1个扣2.5分。3、已知1.013105Pa,100C的空气以v=100m/s的速度流过一块平板，平板温度为30摄氏度。求离开平板前缘3cm处边界层上的法向速度、流动边界层及热边界层厚度、局部切应力和局部表面传热系数、平均阻力系数和平均表面传热系数。（10
10、分）“4解定性漏厳2A=0X)2931V/(niK)p=(询沾hv=19.5x10_f,rn1匚p=1WRg(1)伽处,().03xHX)19.5xlfl6=1.538xlO5vtf-=)()0x0.87/(l,538x103=0,2218m/j动虽边界t!厚优臣=4.64XOJ)3X(153Xxl()9r=0355;h/h5r=PrJ=0.695於乂0355=0.39%佃(山2：0323xL045xlIX)2vL53Sx05札理唧酬顼籍胡五而xO.695=112.67(24、已知在锅炉的空气预热器中，空气横掠过一组叉排管束,s=80mm,s2=50mm，管子外径d=40mm,空气在最小界面处
11、的流速为6m/s，tw=133C，在流动方向上排数大于10，管壁平均温度为165C。求空气与管束间的平均表面传热系数。(10分)解：定性温度22匸，得空气物性值为:A=0.03561V/(mK)二2&KxI()pr=().683Re=-6x0XW-v28.8x10i据表(37)C=0.519,=0.556,AMi=0,519x8333=78.55,/VmA7S.55x(H356h一一J0.04W.9W/(nrK2分2分2分2分2分5、已知一大型加热炉炉底厚50mm,初温为25C,a=510m2/s，a=4W/(mK)，t1600C，h=40W/(m2K)。按工艺要求炉内各表面均应加热到1500摄氏度方可投入使用。求从开始点火到满足这一条件所需的时间。(10分)IA.4_（|y=2.0T盯用Bi砧40x0.05,由圏3訂查得盅*冬叫咖4tm=16M）-HX）/0-S=l475flC25-1600由图3-6賁得Fum即竺芈T网0“减45xl0
