《第8章对流传热.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第8章对流传热.doc（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章 1. 试述层流边界层和湍流边界层流体与固体壁面之间的传热机理（不计自然对流的影响），并分析两种边界层流体与壁面之间传热机理的异同点。答：层流边界层传热是分子传热，即导热；湍流边界层传热主要是涡流传热，即由微团旋涡运动引起的传热。共同点：湍流边界层中也存在一层流内层，该层中的传热方式与层流相同；不同点：层流边界层不存在缓冲层和湍流核心，所以无涡流传热。2. 不可压缩流体在平板层流边界层中进行二维稳态流动和二维稳态传热，试应用有关微分方程说明“精确解”方法求解对流传热系数h的步骤。解：对平板层流边界层中稳态二维流动、二维传热描述的微分方程有普兰德边界层方程 （1）连续性方程 （2）边界层能
2、量方程 （3） 求解h的步骤：（1）用无量纲变量和无量纲流函数将普兰德边界层方程式（1）和（2）化为常微分方程，即（2）求解上述常微分方程，得到层流边界层内的速度分布；（3）引入和；化简并求解能量方程（3），得到边界层内的温度分布；（4）由解出。3. 常压和30的空气，以10m/s的均匀流速流过一薄平板表面。试用精确解求距平板前缘10cm处的边界层厚度及处的、壁面局部曳力系数、平均曳力系数的值。设临界雷诺数。解：查物性常数表得，常压和30空气的物性为 为层流边界层 当时，查表4-1得 4. 常压和394 K的空气由光滑平板壁面流过。壁面温度，空气流速，临界雷诺数。试由近似解求临界长度、该处的速
3、度边界层厚度和温度边界层厚度、局部对流传热系数、层流段的平均对流传热系数。解：定性温度 查物性常数表得，常压和383.5K下空气的物性为 5. 设平板壁面上层流边界层的速度分布方程和温度分布方程分别为 试应用适当的边界条件求出、（）各值及速度分布方程和温度分布方程，并从边界层积分动量方程式（4-39）和边界层热流方程式（8-45）出发，推导速度边界层厚度、温度边界层厚度及对流传热系数的表达式并与式（4-51）及式（8-59）进行比较。解：对于速度分布，所应用的边界条件为 （1）， （2）， （3），将此三边界条件代入速度分布式，可得如下联立方程组，即 解之得 于是速度分布方程为 （1）边界层积
4、分动量方程为式（4-40），即 将式（1）代入式（4-40）得 （2）令，积分式（2）得上式进一步积分，得=5.48 （3）该式与式（4-51）比较，的计算仅为系数的差别。对于温速度分布，所应用的边界条件为（1）， （2）， （3），将此三边界条件代入温度分布式，可得如下联立方程组，即 解之得 于是温度分布方程为 （4）边界层热流方程为式(8-44)，即 （8-44）假定，将式（1)及式（4）代入式（8-44），并积分得由于假定，故，因此上式可以化为 （5）将式（3）代入式（5），经整理可得 （6）若温度边界层从开始，即时，则由式（6）可得于是式（5）可化为 如若温度边界层从平板前缘开始，则，
5、于是可得 （7）该结果与式（8-57）基本一致。距平板前缘x处的局部对流传热系数，仍可采用式（8-5）表达，即 （8-5）将式（4）代入上式中，得由此可以看出，对流传热系数与温度边界层厚度成反比。将式（3）的及式（7）的表达式代入上式中，可得将上式化简得或 （8）如加热由平板前缘开始进行，则由于=0，上式即可化简为 （9）该结果与式（8-59）基本一致，仅系数有所区别。6. 常压和303K的空气以20m/s的均匀流速流过一宽度为1 m、长度为2 m的平板表面，板面温度维持373K，试计算整个板面与空气之间的热交换速率。设。解：定性温度为查物性常数表得，常压和338 K下的空气物性为 为湍流边界
6、层。 习题7附图7. 如本题附图所示，有一冷凝液膜沿壁面温度为的无限宽垂直固壁下流，从而被冷却，设液膜主体温度为，假定只有离壁面很近的液体其温度才有明显变化，过程为稳态，流动为层流，有关的物性为常数。（1）试证明，并写出的表达式；（2）试根据题意对的表达式进行适当的化简；（3）结合上述结果化简能量方程并写出相应的定解条件；（4）令，试求解上述方程并求出的表达式。解：（1）连续性方程为一维流动， 、；流体不可压缩，。 于是连续性方程变为, 方向运动方程为一维稳态流动，、稳态 ，则方向运动方程变为 同理，方向运动方程变为 方向运动方程变为 边界条件为， ， 解之得 则 （2）因为只有离壁面很近的液
7、体其温度才有明显的变化，即，故，则 （3）稳态传热，；一维流动， 、；向无限大，、；，、。 于是能量方程变为 边界条件为， ， ， (4)令 ，得代入方程，得=整理得 边界条件为， ，解之得 （5） 得 8. 某油类液体以1m/s的均匀流速沿一热平板壁面流过。油类液体的均匀温度为293 K，平板壁面维持353K。设临界雷诺数。已知在边界层的膜温度下，液体密度、粘度、导热系数、比热。试求（1）临界点处的局部对流传热系数及壁面处的温度梯度；（2）由平板前缘至临界点这段平板壁面的对流传热通量。 解：(1) 临界点处的局部对流传热系数及壁面处的温度梯度 m 由式（8-53）可得，壁面处的温度梯度为 （
8、2）由平板前缘至临界点这段平板壁面的对流传热通量=55.9 9. 在习题8中，设油类液体不是由平板前缘开始被加热，而是流过距平板前缘后才开始被加热，试重新计算习题8中的问题，并将计算结果与习题8的计算结果加以对比。解：(1) 临界点处的局部对流传热系数及壁面处的温度梯度 10. 平板壁面上层流边界层和湍流边界层的局部对流传热系数的计算式分别为试导出由平板前缘至湍流边界层中这段平板壁面的平均对流传热系数的表达式。解：同时考虑层流边界层和湍流边界层的平均对流传热系数表达式为 式中， 11. 温度为333K的热水以2 m/s的均匀流速流过一冷平板壁面。壁面温度恒定，为293 K。试求距平板前缘2 m
9、处的速度边界层厚度和温度边界层厚度，并求水流过长度为2 m、宽度为1 m平板壁面时的总传热速率，并指出其中湍流边界层中传热速率占总传热速率的百分数。解：查物性常数表得，313 K下水的物性为， ， 处为湍流边界层12. 温度为333 K的水，以35 kg/h的质量流率流过内径为25 mm的圆管，管壁温度维持恒定，为363 K。已知水进入圆管时，流动已充分发展。水流过4 m管长并被加热，测得水的出口温度为345 K，试求水在管内流动时的平均对流传热系数。解： 查物性常数表得，339 K下水的物性为， 管内流动为层流。 根据恒壁温、流动充分发展的条件，查表8-1得 ， 13. 常压和40的水以1.2 m/s的流速流过内径为25 mm的圆管。管壁外侧利用蒸汽冷凝加热使管内壁面维持恒温100 。圆管长度为2m，试求管内壁与水之间的平均对流传热系数和传热速率，并求出口温度。解：设出口温度为85，则查物性常数表得，常压和62.5 水的物性为， 管内流动为层流 流动正在发展。根据恒壁温、流动正在发展的条件，查表8-1得 ， 计算出口温度通过微分段管长dL的传热速率为设流体经过微分段管长dL后，温度升高，由热量衡算可得上述二式的dq相等，经整理后得积分上式得或从而可得与假设符
