传热学典型简答题

时间：2020-11-16 20:37:45 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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　一、基本概念

　主要包括导热、对流换热、辐射换热的特点及热传递方式辨析。

　1、冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来感到很暖和，并且经过拍打以后，效果更加明显。试解释原因。

　答：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进人更多的空气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小(20℃，1.01325×105 Pa时，空气导热系数为0.0259W/(m·K)，具有良好的保温性能。而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。

　2、夏季在维持20℃的室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季在保持22℃的室内工作时，却必须穿绒衣才觉得舒服。试从传热的观点分析原因。

　答：首先，冬季和夏季的最大区别是室外温度的不同。夏季室外温度比室内气温高，因此通过墙壁的热量传递方向是出室外传向室内。而冬季室外气温比室内低，通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室外。因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。因此，尽管冬季室内温度(22℃)比夏季略高(20℃)，但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。根据上题人体对冷感的感受主要是散热量的原理，在冬季散热量大，因此要穿厚一些的绒衣。

　3、试分析室内暖气片的散热过程，各环节有哪些热量传递方式？以暖气片管内走热水为例。

　答：有以下换热环节及热传递方式

　(1)由热水到暖气片管到内壁，热传递方式是对流换热(强制对流)；

　(2)由暖气片管道内壁至外壁，热传递方式为导热；

　(3)由暖气片外壁至室内环境和空气，热传递方式有辐射换热和对流换热。

　4、冬季晴朗的夜晚，测得室外空气温度t高于0℃，有人却发现地面上结有—层簿冰，试解释原因(若不考虑水表面的蒸发)。

　解：如图所示。假定地面温度为了T e ，太空温度为T sky ，设过程已达稳 态，空气与地面的表面传热系数为h，地球表面近似看成温度为T c 的黑体，太空可看成温度为T sky 的黑体。则由热平衡：

　，

　由于T a ＞0℃，而T sky ＜0℃，因此，地球表面温度T e 有可能低于0℃，即有可能结冰。

　 一、基本概念

　本节的基本概念主要包括对傅里叶定律的理解，导热系数的主要特点与性质，建立物理问题所对应的数学描写及相应的求解方法，边界条件的处理，利用几种典型几何形状物理问题解的特点绘制温度场的分布曲

　线，利用热阻分析方法分析实际的物理问题，能处理变导热系数的影响，以及利用肋片导热的特点分析问题的实质。

　1、一维无内热源、平壁稳态导热的温度场如图所示。试说明它的导热系数λ是随温度增加而增加，还是随温度增加而减小?

　 答:由傅立叶里叶定律，

　图中 随x增加而减小，因而 随2增加x而增加，而温度t随x增加而降低，所以导热系数 随温度增加而减小。

　2、如图所示的双层平壁中，导热系数λ 1 ，λ 2 为定值，假定过程为稳态，试分析图中三条温度分布曲线所对应的λ 1 和λ 2 的相对大小。

　 答：由于过程是稳态的，因此在三种情况下，热流量 分别为常数，即：

　所以对情形①：

　；

　同理，对情形②：

　；

　对情形③：

　。

　3、在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好?为什么?

　答：在其他条件相同时，实心砖材料如红砖的导热系数约为0．5W/(m·K)(35℃)，而多孔空心砖中充满着不动的空气，空气在纯导热(即忽略自然对流)时，其导热系数很低，是很好的绝热材料。因而用多孔空心

　砖好。

　4、两种几何尺寸完全相同的等截面直肋，在完全相同的对流环境(即表面传热系数和流体温皮均相同)下，沿肋高方向温度分布曲线如图所示。请判断两种材料导热系数的大小和肋效率的高低?

　 答：对一维肋片，导热系数越高时，沿肋高方向热阻越小，因而沿肋高方向的温度变化(降落或上升)越小。因此曲线1对应的是导热系数大的材料．曲线2对应导热系数小的材料。而且，由肋效率的定义知，曲线1的肋效率高于曲线2。

　5、用套管温度计测量容器内的流体温度，为了减小测温误差，套管材料选用铜还是不锈钢?

　答：由于套管温度计的套管可以视为一维等截面直助，要减小测温误差(即使套管顶部温度t H 尽量接近流体温度t f )，应尽量减小沿套管长度流向容器壁面的热量，即增大该方向的热阻。所以，从套管树料上说应采用导热系数更小的不锈钢。

　6、工程中应用多孔性材料作保温隔热,使用时应注意什么问题?为什么?

　答：应注意防潮。保温材料的一个共同特点是它们经常呈多孔状，或者具有纤维结构，其中的热量传递是导热、对流换热、热辐射三种传热机理联合作用的综合过程。如果保温材料受潮，水分将替代孔隙中的空气，这样不仅水分的导热系数高于空气，而且对流换热强度大幅度增加，这样材料保温性能会急剧下降。

　7、λ为变量的一维导热问题。某一无限大平壁厚度为δ，内、外表面温度分别为ｔ w1 、ｔ W2 ，导热系数为λ=λ 0 (1+bt) W/mK，试确定平壁内的温度分布和热流通量。设平壁内无内热源。

　，

　， ，

　 温度分布：

　热流通量：

　同学们可以根据 的特点，按照题2的方法分析b>0和b<0对应图中哪一条曲线。

　非稳态导热 一、基本概念

　本节基本概念主要包括：对物理问题进行分析，得出其数学描写(控制方程和定解条件)；定性画出物体内的温度分布；集总参数法的定性分析；时间常数概念的运用；一维非稳态导热分析解的讨论；对海斯勒图(诺谟图)的理解；乘积解在多维非稳态导热中的应用；半无限大物体的基本概念。

　1、由导热微分方程可知，非稳态导热只与热扩散率有关，而与导热系数无关。你认为对吗?

　答：由于描述一个导热问题的完整数学描写不仅包括控制方程，还包括定解条件。所以虽然非稳态导热的控制方程只与热扩散率有关，但边界条件中却有可能包括导热系数λ(如第二或第三类边界条件)。因此上述观点不对。

　2、无内热源，常物性二维导热物体在某一瞬时的温度分布为 t＝2y2 cosx 。试说明该导热物体在x＝0，y=1处的温度是随时间增加逐渐升高，还是逐渐降低。

　答：由导热控制方程 ，得：

　当 时， ，故该点温度随时间增加而升高。

　3、两块厚度为30mm的无限大平板，初始温度为20℃，分别用铜和钢制成。平板两侧表面的温度突然上升到60℃，试计算使两板中心温度均上升到56℃时两板所需时间之比。铜和钢的热扩散率分别为103×10-6 m2／s，12.9×10-6 m 2 /s。

　答：一维非稳态无限大平板内的温度分布有如下函数形式：

　两块不同材料的无限大平板，均处于第一类边界条件(即Bi→∞)。由题意，两种材料达到同样工况时，Bi数和 相同，要使温度分布相同，则只需Fo数相等，因此：

　，即 ，而δ在两种情况下相等，因此：

　 4、东北地区春季,公路路面常出现“弹簧”,冒泥浆等“翻浆”病害。试简要解释其原因。为什么南方地区不出现此病害?东北地区的秋冬季节也不出现 “翻浆”?

　答：此现象可以由半无限大物体（地面及地下）周期性非稳态导热现象的温度波衰减及温度波时间延迟特

　征来解释。公路路面“弹簧”及“翻浆”病害产生的条件是：地面以下结冰，而地表面已解冻（表面水无法渗如地下）。

　东北地区春季地表面温度已高于0℃，但由于温度波的时间延迟，地下仍低于0℃，从而产生了公路路面“弹簧”及“翻浆”等病害。

　东北地区的秋冬季节，虽然地表面温度已低于0℃，但由于温度波的时间延迟，地下仍高于0℃，从而不会产生“翻浆”。

　南方地区不出现此病害的原因是，由于温度波衰减的特征，使得地下部分不会低于0℃，当然不会出现此病害。

　对流换热概述

　一、基本概念

　主要包括对流换热影响因素；边界层理论及分析；理论分析法（对流换热微分方程组、边界层微分方程组）；动量与热量的类比；相似理论；外掠平板强制对流换热基本特点。

　1、由对流换热微分方程 知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度场无关。试判断这种说法的正确性?

　答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。因此表面传热系数必与流体速度场有关。

　2、在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大?为什么?有人说对一定表面传热温差的同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小，你认为对吗?

　答：在温度边界层中，贴壁处流体温度梯度的绝对值最大，因为壁面与流体间的热量交换都要通过贴壁处不动的薄流体层，因而这里换热最剧烈。由对流换热微分方程 ，对一定表面传热温差的同种流体λ与△t均保持为常数，因而可用 绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小。

　3、简述边界层理论的基本论点。

　答：边界层厚度 δ 、 δ t 与壁的尺寸l相比是极小值；

　边界层内壁面速度梯度及温度梯度最大；

　边界层流动状态分为层流与紊流,而紊流边界层内,紧贴壁面处仍将是层流,称为层流底层；

　流场可以划分为两个区：边界层区（粘滞力起作用）和主流区，温度同样场可以划分为两个区：边界层区（存在温差）和主流区（等温区域）；

　对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。

　4、试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。

　答：依据对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。

　紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。导热系数越大，将使边界层导热热阻越小，对流换热强度越大；粘度越大，边界层（层流边界层或紊流边界层的层流底层）厚度越大，将使边界层导热热阻越大，对流换热强度越小。

　5、确定对流换热系数h有哪些方法?试简述之。

　答：求解对流换热系数的途径有以下四种:(1)建立微分方程组并分析求解___应用边界层理论,采用数量级分析方法简化方程组,从而求得精确解,得到了Re,Pr及Nu等准则及其准则关系,表达了对流换热规律的基本形式。(2)建立积分方程组并分析求解___先假定边界层内的速度分布和温度分布然后解边界层的动量和能量积分方程式求得流动、热边界层厚度,从而求得对流换热系数及其准则方程式。以上两法目前使用于层流问题。(3)根据热量传递和动量传递可以类比，建立类比律，借助于流动摩擦阻力的实验数据，求得对流换热系数。此法较多用于紊流问题。(4)由相似理论指导实验，确定换热准则方程式的具体形式，提供工程上常用准则方程式，求解准则关联式得到对流换热系数。

　6、为什么热量传递和动量传递过程具有类比性?

　答：如果用形式相同的无量纲方程和边界条件能够描述两种不同性质的物理现象，就称这两种现象是可类比的，或者可比拟的。把它们的有关变量定量地联系起来的关系式就是类比律。

　可以证明，沿平壁湍流时的动量和能量微分方程就能够表示成如下形式：

　其中：

　7、有若干个同类物理现象,怎样才能说明其单值性条件相似。试设想用什么方法对以实现物体表面温度恒定、表面热流量恒定的边界条件?

　答：所谓单值条件是指包含在准则中的各已知物理量，即影响过程特点的那些条件──时间条件、物理条件、边界条件。所谓单值性条件相似,首先是时间条件相似(稳态过程不存在此条件)。然后,几何条件、边界条件及物理条件要分别成比例。采用饱和蒸汽（或饱和液体）加热（或冷却）可实现物体表面温度恒定的边界条件，而采用电加热可实现表面热流量恒定的边界条件。

　8、管内紊流受迫对流换热时，Nu数与Re数和Pr数有关。试以电加热方式加热管内水的受迫对流为例，说明如何应用相似理论设计实验，并简略绘制出其实验系统图。

　答：⑴模型的选取

　依据判断相似的条件，首先应保证是同类现象，包括单值性条件相似；其次是保证同名已定准则数相等。

　选取无限长圆管；圆管外套设有电加热器。属于管内水的纯受迫流动。

　⑵需要测量的物理量

　准则数方程式形式为 。由Re、Nu、Φ=IU、牛顿冷却公式 ，以及

　，可确定需要测量的物理量有：q v ，d，，L， ， ，I，U。

　所有流体物性由定性温度 查取水的物性而得。

　⑶实验数据的整理方法

　根据相似准则数之间存在由微分方程式决定的函数关系，对流传热准则数方程式形式应为，实验数据整理的任务就是确定Ｃ和ｎ的数值。

　为此必须有多组的实验数据。由多组的实验数据，得：（Re、Pr）

　i →Nu i

　将 转化为直线方程：

　；由（Re、Pr）

　i →Nu i 得Ｘ i →Ｙ i ，确定系数n和C。

　确定系数n和C的方法有图解法（右图）和最小二乘法。图中的直线斜率即准则关联式的n，截距即式中的lgC，即 , 。注意：为保证结果的准确性，直线应尽量使各点处在该线上，或均匀分布在其两侧。

　⑷实验结果的应用

　根据相似的性质，所得的换热准则数式可以应用到无数的与模型物理相似的现象群，而不仅仅是实物的物理现象。之所以说是现象群，是因为每一个Re均对应着一个相似现象群。

　简单的实验系统如图所示。

　9、绘图说明气体掠过平板时的流动边界层和热边界层的形成和发展。

　答：当温度为t f 的流体以u ∞ 速度流入平板前缘时，边界层的厚度δ=δ t =0，沿着X方向，随着X的增加，由于壁面粘滞力影响逐渐向流体内部传递，边界层厚度逐渐增加，在达到X c 距离(临界长度X c 由Re c 来确定)之前，边界层中流体的流动为层流，称为层流边界层，在层流边界层截面上的流速分布，温度分布近似一条抛物线，如图所示。在X c 之后，随着边界层厚度δ的增加，边界层流动转为紊流称为紊流边界层，即使在紊流

　边界层中，紧贴着壁面的薄层流体，由于粘滞力大，流动仍维持层流状态，此极薄层为层流底层δ t ，在紊流边界层截面上的速度分布和温度分布在层流底层部分较陡斜，近于直线，而底层以外区域变化趋于平缓。

　 对流传热

　一、基本概念

　主要包括对流换热影响因素；边界层理论及分析；理论分析法（对流换热微分方程组、边界层微分方程组）；动量与热量的类比；相似理论；外掠平板强制对流换热基本特点。

　1、由对流换热微分方程 知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度场无关。试判断这种说法的正确性?

　答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。因此表面传热系数必与流体速度场有关。

　2、在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大?为什么?有人说对一定表面传热温差的同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小，你认为对吗?

　答：在温度边界层中，贴壁处流体温度梯度的绝对值最大，因为壁面与流体间的热量交换都要通过贴壁处不动的薄流体层，因而这里换热最剧烈。由对流换热微分方程 ，对一定表面传热温差的同种流体λ与△t均保持为常数，因而可用 绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小。

　3、简述边界层理论的基本论点。

　答：边界层厚度 δ 、 δ t 与壁的尺寸l相比是极小值；

　边界层内壁面速度梯度及温度梯度最大；

　边界层流动状态分为层流与紊流,而紊流边界层内,紧贴壁面处仍将是层流,称为层流底层；

　流场可以划分为两个区：边界层区（粘滞力起作用）和主流区，温度同样场可以划分为两个区：边界层区（存在温差）和主流区（等温区域）；

　对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。

　4、试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。

　答：依据对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。导热系数越大，将使边界层导热热阻越小，对流换热强度越大；粘度越大，边界层（层流边界层或紊流边界层的层流底层）厚度越大，将使边界层导热热阻越大，对流换热强度越小。

　5、确定对流换热系数h有哪些方法?试简述之。

　答：求解对流换热系数的途径有以下四种:(1)建立微分方程组并分析求解___应用边界层理论,采用数量级分析方法简化方程组,从而求得精确解,得到了Re,Pr及Nu等准则及其准则关系,表达了对流换热规律的基本形式。(2)建立积分方程组并分析求解___先假定边界层内的速度分布和温度分布然后解边界层的动量和能量积分方程式求得流动、热边界层厚度,从而求得对流换热系数及其准则方程式。以上两法目前使用于层流问题。(3)根据热量传递和动量传递可以类比，建立类比律，借助于流动摩擦阻力的实验数据，求得对流换热系数。此法较多用于紊流问题。(4)由相似理论指导实验，确定换热准则方程式的具体形式，提供工程上常用准则方程式，求解准则关联式得到对流换热系数。

　6、为什么热量传递和动量传递过程具有类比性?

　答：如果用形式相同的无量纲方程和边界条件能够描述两种不同性质的物理现象，就称这两种现象是可类比的，或者可比拟的。把它们的有关变量定量地联系起来的关系式就是类比律。

　可以证明，沿平壁湍流时的动量和能量微分方程就能够表示成如下形式：

　其中：

　7、有若干个同类物理现象,怎样才能说明其单值性条件相似。试设想用什么方法对以实现物体表面温度恒定、表面热流量恒定的边界条件?

　答：所谓单值条件是指包含在准则中的各已知物理量，即影响过程特点的那些条件──时间条件、物理条件、边界条件。所谓单值性条件相似,首先是时间条件相似(稳态过程不存在此条件)。然后,几何条件、边界条件及物理条件要分别成比例。采用饱和蒸汽（或饱和液体）加热（或冷却）可实现物体表面温度恒定的边界条件，而采用电加热可实现表面热流量恒定的边界条件。

　8、管内紊流受迫对流换热时，Nu数与Re数和Pr数有关。试以电加热方式加热管内水的受迫对流为例，说明如何应用相似理论设计实验，并简略绘制出其实验系统图。

　答：⑴模型的选取

　依据判断相似的条件，首先应保证是同类现象，包括单值性条件相似；其次是保证同名已定准则数相等。

　选取无限长圆管；圆管外套设有电加热器。属于管内水的纯受迫流动。

　⑵需要测量的物理量

　准则数方程式形式为 。由Re、Nu、Φ=IU、牛顿冷却公式 ，以及，可确定需要测量的物理量有：q v ，d，，L， ， ，I，U。

　所有流体物性由定性温度 查取水的物性而得。

　⑶实验数据的整理方法

　根据相似准则数之间存在由微分方程式决定的函数关系，对流传热准则数方程式形式应为，实验数据整理的任务就是确定Ｃ和ｎ的数值。

　为此必须有多组的实验数据。由多组的实验数据，得：（Re、Pr）

　i →Nu i

　将 转化为直线方程：

　；由（Re、Pr）

　i →Nu i 得Ｘ i →Ｙ i ，确定系数n和C。

　确定系数n和C的方法有图解法（右图）和最小二乘法。图中的直线斜率即准则关联式的n，截距即式中的lgC，即 , 。注意：为保证结果的准确性，直线应尽量使各点处在该线上，或均匀分布在其两侧。

　⑷实验结果的应用

　根据相似的性质，所得的换热准则数式可以应用到无数的与模型物理相似的现象群，而不仅仅是实物的物理现象。之所以说是现象群，是因为每一个Re均对应着一个相似现象群。

　简单的实验系统如图所示。

　9、绘图说明气体掠过平板时的流动边界层和热边界层的形成和发展。

　答：当温度为t f 的流体以u ∞ 速度流入平板前缘时，边界层的厚度δ=δ t =0，沿着X方向，随着X的增加，

　由于壁面粘滞力影响逐渐向流体内部传递，边界层厚度逐渐增加，在达到X c 距离(临界长度X c 由Re c 来确定)之前，边界层中流体的流动为层流，称为层流边界层，在层流边界层截面上的流速分布，温度分布近似一条抛物线，如图所示。在X c 之后，随着边界层厚度δ的增加，边界层流动转为紊流称为紊流边界层，即使在紊流边界层中，紧贴着壁面的薄层流体，由于粘滞力大，流动仍维持层流状态，此极薄层为层流底层δ t ，在紊流边界层截面上的速度分布和温度分布在层流底层部分较陡斜，近于直线，而底层以外区域变化趋于平缓。

　 二、定量计算

　主要包括：类比率的应用；相似原理的应用；外掠平板的强制对流换热。

　1、空气以40m/s的速度流过长宽均为0.2m的薄板，t f =20℃，t w =120℃，实测空气掠过此板上下两表面时的摩擦力为0.075N，试计算此板与空气间的换热量(设此板仍作为无限宽的平板处理，不计宽度z方向的变化)。

　解应用柯尔朋类比律

　其中ρ、cp用定性温度 查教材附录2（P309）“干空气的热物理性质”确定。， ， ，带入上式

　,得 ，

　换热量：

　，

　 2、在相似理论指导下进行实验，研究空气在长圆管内稳态受迫对流换热的规律，请问：(1)本项实验将涉及哪几个相似准则?实验中应直接测量哪些参数才能得到所涉及的准则数据?(3)现通过实验并经初步计算得到的数据如下表所示，试计算各试验点Re数及Nu数?(4)实验点1、2、3、4的现象是否相似？(5)将实验点标绘在lgNu及lgRe图上。(6)可用什么形式的准则方程式整理这些数据?并确定准则方程式中的系数。(7)现有另一根长圆管，d＝80mm，管内空气速度28.9m/s，t w ＝150℃；t f =50℃，试确定管内换热现象与上述表中哪个现象是相似的?并用上表实验结果确定此管内的表面传热系数。(8)又一未知流体的换热现象，已知其热扩散率a=30．2×10-6 m 2 /s，λ=0.0305W/(mK)；ν＝21.09×10 -6 m 2 /s；d＝65mm，管

　内流速23m/s，它是否与上表中的实验现象相似?是否可以用上表实验结果计算它的表面传热系数?为什么?如果能用，请计算其Nu数和表面传热系数?

　解：㈠定性温度为为t f

　⑴由于是空气在长管内稳态受迫对流换热，所以涉及到的相似准则是Re和Nu。

　⑵由Re=ud/ν、Nu=hd/λ、Φ=IU及Φ=hA(ｔ w -ｔ f )知道需要测量的物理量有u、d、A=πdL、ｔ f 、ｔ f 、I、U。

　⑶计算结果见下表：(1-4：t f =10℃；5：t f =50℃，定性温度为t f )

　 现象序号

　t w

　℃

　λ

　W/m℃

　ν

　m2 /s

　d

　m

　u

　m/s

　h

　W/m2 ℃

　Re

　Nu

　lgRe

　lgNu

　1

　30

　2.51

　×10-2

　14.16

　×10-6

　50

　×10-3

　3.01

　15

　10628.5

　29.88

　4.02

　1.48

　2

　50

　31.5

　28248.6

　62.74

　 4.45

　1.80

　3

　70

　57.5

　60028.2

　114.5

　 4.78

　2.06

　4

　90

　106

　126765.5

　211.2

　 5.10

　2.32

　5

　150

　2.83

　×10-2

　17.95

　×10-6

　80

　×10-3

　28.9

　128802.2

　6

　3.05

　×10-2

　21.09

　×10-6

　65

　×10-3

　23

　70886.7

　⑷由于 ，所以现象1-4不相似。

　⑸图略（参考教材P140图5-26）

　⑹准则方程式形式为 根据现象1-4数据，利用最小二乘法（也可以用图解法确定C和n），确定 （ ）中的C和n如下：

　，

　所以准则方程式为 ，其中

　⑺因现象5雷诺数（Re=128802.2）与现象1-4雷诺数均不相等，所以现象5不与现象1-4均不相似；且由于其雷诺数已超出了现象1-4的实验范围，所以无法用上述实验结果确定现象5的表面换热系数。

　⑻因现象6雷诺数（Re=70886.7）与现象1-4雷诺数均不相等，所以现象6不与现象1-4均不相似；但由于其雷诺数处于现象1-4的实验范围，所以可以用上述实验结果确定现象6的表面换热系数，方法如下：

　3、温度为50℃，压力为1.01325×105 Pa的空气，平行掠过一块表面温度为100℃的平板上表面，平板下表面绝热。平板沿流动方向长度为0.2m，宽度为0.1m。按平板长度计算的Re数为4×l04 。试确定：

　(1)平板表面与空气间的表面传热系数和传热量；

　(2)如果空气流速增加一倍，压力增加到10.1325×105 Pa，平板表面与空气的表面传热系数和传热量。

　解：本题为空气外掠平板强制对流换热问题。

　(1)由于Re＝4×104＜5×105，属层流状态。故：

　空气定性温度：

　℃

　空气的物性参数为 ，Pr=0.70

　故：

　W/（m2 .K）

　散热量 W

　(2)若流速增加一倍， ，压力 ，则 ， ，

　而：

　，故：

　所以：

　，属湍流。

　据教材式(5—42b) =961

　W/（m2 ·K）

　散热量：

　W

　三、本章提要

　以下摘自赵镇南著，高等教育出版社，出版日期：2002年7月第1版《传热学》

　1、对流换热是一种非常复杂的物理现象。它的热流速率方程即牛顿冷却公式。对流换热问题的求解归根结底围绕着如何得到各种不同情况下的表面传热系数，它有局部值和平均值之分。

　影响单相流体对流换热强弱的主要因素有流体的流动状态、发生流动的原因、流体的各项有关物性以及表面的几何形状等。

　2、边界层理论在研究对流换热现象时扮演了极重要的角色。边界层概念归根结底就是从数量级的观点出发，忽略主流中速度和过余温度1％的差异。速度边界层和温度边界层的基本观点可以概括地总结为以下的基本内容(针对沿平壁的外部流动)：

　(1)速度从零变化到几乎等于主论速度主要发生在紧贴壁面的薄层内：壁面上具有速度梯度的最大值；在壁面法线方向上，讨以把流场划分成边界层区和主流区，主流可视为等速、无粘性的理想流体；壁面法线方向上不存在压力梯度；在沿壁曲方向上流体依次为层流、过渡流和湍流状态。

　 (2)温度的变化与速度相似(但必须以过余温度，而不是来流温度作为衡量的基准)，过余温度99％的变化发生在薄薄的热边界层内；壁面上具有最大的过余温度梯度(该值即代表Nu数)；在壁面的法线方向上将流场分为热边界层区和等温的主流区，流体与壁面之间的热量传递仅发生在热边界层区里。

　3 、 二 维 、 低 速 、 常 物 性 、 无 体 积 力 、 无 内 热 源 的 边 界 层 对 流 换 热 微 分 方 程 组 是 ：

　 它们是通过对流场中的任意流体微元分别作质量、动量和能量平衡，并针对高雷诺数按照普朗特的边界层理论进行简化以后得出来的。而对流换热过程微分方程则揭示了流体与壁面之间对流换热的物理本质。

　4、边界层对流换热问题的主要求解方法有分析解、实验解、类比方法以及数值解法。

　分析解：包括精确解(也叫相似解)和积分方程近似解。虽只能在若干假设条件下求得一些简单问题的解，但是作为经典方法，它对正确认识对流换热的基本规律仍起着重要的作用。

　实验解：实验方法始终是解决工程对流换热问题不可缺少的基本手段。它也是分析解或数值解唯一可靠的检验手段，对求不出理论解的问题，更要靠它来获得所需要的基本规律和数据。实验解方法应当在相似理论的指导下进行才能得到正确有效的结果。

　类比方法：建立在流体动量与热量传递规律的相似性上，无论层流还是湍流，只要流动阻力来自流体的分子粘性和湍流“粘性”，均可以运用类比关系通过摩擦系数直接得到对流换热的表面传热系数。对于外部流动和内部流动，最主要的两个类比率关系式是

　；适用条件：

　； ；适用条件：

　数值解：通过对边界层微分方程组进行离散化处理求得各节点上流体的速度、温度和压力参数的数值求解方法。由于动量方程中存在非线性的对流项及压力梯度项，使对流换热的数值处理比导热复杂很多。

　5、相似理论与相似准则数相似原理是指导用实验方法研究包括对流换热在内的很多工程技术问题的方法理论。它的主要内容可以概括为相似三定理，它们分别回答了实验研究中遇到的四个主要问题：

　(1)彼此相似的现象，其对应点的同名相似准则数相等。

　实验中模型应该如何选取，应该测量哪些量？模型应保证与实物物理现象相似，应测量相似准则数中所包含的各个物理量，其中的物性由定性温度确定。

　(2)描述物理过程的微分方程积分结果可以用相似准则数之间的函数关系来表示。

　实验结果应该怎么表示?应该用准则数关联式的形式来表示。

　(3)凡同类现象，若同名已定准则数相等．且单值性条件相似，那么这两个现象必定相似。

　实验结果可以应用到哪些范围?实验结果可用于所有与实验状态保持相似的同类对流换热问题中。

　下表汇总列出了本教材以及传热文献中最经常遇到的所有相似准则数，它们的定义和物理解释，供读者在学习和工作中参考。

　相似准则数的定义与物理解释(按准则数名称的字母排序)

　6、掠过平板的强迫对流换热

　应注意区分层流和湍流两种流态(一般忽略过渡流段)，恒壁温与恒热流两种典型的边界条件，以及局部Nu数和平均Nu数。具有末加热起始段的换热对某些工程问题有重要的应用价值。

　 凝结与沸腾部分 一、基本概念

　主要包括主要包括：凝结换热的基本特点、影响因素及其强化；沸腾换热的基本特点等。

　1、当蒸汽在竖壁上发生膜状凝结时,分析竖壁高度h对放热系数的影响。

　答：当蒸汽在竖壁上发生膜状凝结时,随着竖壁高度的不同可能发生层流凝结放热和紊流凝结放热。

　(A)对层流来说: ，可见,当l增加时,放热系数h减小,h∝1/l1/4 .从理论上分析,层流凝结放热总以导热方式为主.当l=0时,膜层厚度为0,这时的放热达到最大值,随着l的增加,膜层厚度δ也加厚,也即增加了导热热阻,所以放热系数随l增加而减小。

　(B)对紊流而言:平均换热系数 ,而Re与l也成正比,可见随着l增加,放热加强,从理论上分析,在紊流中紊流传递方式成为重要因素,因此,随l增加紊流换热得到加强。

　2、为什么蒸气中含有不凝结气体会影响凝结换热的强度?

　答：不凝结气体的存在，一方面使凝结表面附近蒸气的分压力降低，从而蒸气饱和温度降低，使传热驱动力即温差(t s -t w )减小；另一方面凝结蒸气穿过不凝结气体层到达壁面依靠的是扩散，从而增加了阻力。上述两方面的原因使不凝结气体存在大大降低了表面传热系数，使换热量降低。所以实际冷凝器中要尽量降低并排除不凝结气体。

　3、空气横掠管束时，沿流动方向管徘数越多，换热越强，而蒸气在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管束排数越多，换热强度降低。试对上述现象做出解释。

　答：空气外掠管束时，沿流动方向管徘数越多，气流扰动增加，换热越强。而蒸气在管束外凝结时，沿液膜流动方向排数越多，凝结液膜越来越厚，凝结传热热阻越来越大，因而换热强度降低。

　4、试述沸腾换热过程中热量传递的途径。

　答：半径R≥R min 的汽泡在核心处形成之后,随着进一步地的加热,它的体积将不断增大,此时的热量是以导热方式输入, 其途径一是由汽泡周围的过热液体通过汽液界面输入, 另一是直接由汽泡下面的汽固界面输入,由于液体的导热系数远大于蒸汽,故热量传递的主要途径为前者。

　当汽泡离开壁面升入液体后,周围过热液体继续对它进行加热,直到逸出液面,进入蒸汽空间。

　5、两滴完全相同的水滴在大气压下分别滴在表面温度为120℃和400℃的铁板上，试问滴在哪块板上的水滴先被烧干，为什么?

　答：在大气压下发生沸腾换热时，上述两水滴的过热度分别是 ℃和 ℃，由大容器饱和沸腾曲线，前者表面发生的是核态沸腾，后者发生膜态沸腾。虽然前者传热温差小，但其表面传热系数大，从而表面热流反而大于后者。所以水滴滴在120℃的铁板上先被烧干。

　 热辐射基本定律部分

　一、基本概念

　主要包括热辐射基本概念及名词解释、黑体辐射基本定律、实际物体辐射特性及其应用。

　1、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下去面的哪一面结箱?为什么?

　答：霜会结在树叶的上表面。因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表回的温度低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。

　2、如图所示的真空辐射炉，球心处有一黑体加热元件，试指出①，②，③3处中何处定向辐射强度最大?何处辐射热流最大?假设①，②，②处对球心所张立体角相同。

　 答：由黑体辐射的兰贝特定律知，定向辐射强度与方向无关。故I l ＝I 2 =I 3 。而三处对球心立体角相当，但与法线方向夹角不同，θ 1 ＞θ 2 ＞θ 3 。所以①处辐射热流最大，③处最小。

　3、有—台放置于室外的冷库，从减小冷库冷量损失的角度出发，冷库外壳颜色应涂成深色还是浅色?

　答：要减少冷库冷损，须尽可能少地吸收外界热量，而尽可能多地向外释放热量。因此冷库败取较浅的颜色，从而使吸收的可见光能量较少，而向外发射的红外线较多。

　4、何谓“漫─灰表面”?有何实际意义?

　答：“漫─灰表面”是研究实际物体表面时建立的理想体模型.漫辐射、漫反射指物体表面在辐射、反射时各方向相同. 灰表面是指在同一温度下表面的辐射光谱与黑体辐射光谱相似,吸收率也取定值.“漫─灰表面”的实际意义在于将物体的辐射、反射、吸收等性质理想化,可应用热辐射的基本定律了。大部分工程材料可作为漫辐射表面,并在红外线波长范围内近似看作灰体.从而可将基尔霍夫定律应用于辐射换热计算中。

　5、你以为下述说法：“常温下呈红色的物体表示此物体在常温下红色光的单色发射率较其它色光(黄、绿、兰)的单色发射率为高。”对吗?为什么?(注：指无加热源条件下)

　答：这一说法不对。因为常温下我们所见到的物体的颜色，是由于物体对可见光的反射造成的.红色物体正是由于它对可见光中的黄、绿、蓝等色光的吸收率较大,对红光的吸收率较小,反射率较大形成的. 根据基而霍夫定律ε λ =α λ ，故常温下呈红色的物体,其常温下的红色光单色发射率较其他色光的单色光发射率要小。

　6、某楼房室内是用白灰粉刷的, 但即使在晴朗的白天, 远眺该楼房的窗口时, 总觉得里面黑洞洞的, 这是为什么?

　答：窗口相对于室内面积来说较小, 当射线(可见光射线等)从窗口进入室内时在室内经过多次反复吸收、反射, 只有极少的可见光射线从窗口反射出来, 由于观察点距离窗口很远, 故从窗口反射出来的可见光到达观察点的份额很小, 因而就很难反射到远眺人的眼里, 所以我们就觉得窗口里面黑洞洞的.

　7、实际物体表面在某一温度T下的单色辐射力随波长的变化曲线与它的单色吸收率的变化曲线有何联系?如巳知其单色辐射力变化曲线如图所示，试定性地画出它的单色吸收率变化曲线。

　答：从图中可以分析出，该物体表面为非灰体，

　根据基尔霍夫定律，αλ=ελ ，即为同一波长线②与线①之比。

　该物体单色吸收率变化曲线如图所示。