传热学典型习题详解

《传热学典型习题详解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传热学典型习题详解（62页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、传热学典型习题详解绪论部分 一、基本概念重要涉及导热、对流换热、辐射换热的特点及热传递方式辨析。1、冬天，通过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来感到很暖和,并且通过拍打后来，效果更加明显。试解释因素。答:棉被通过晾晒后来,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重要是导热,由于空气的导热系数较小(0，10325105P时，空气导热系数为0.29W/(K)，具有良好的保温性能。而通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，穿单衣感到舒服，而冬季在保持2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因素。答:一方面,冬

2、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(）,但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高诸多。根据上题人体对冷感的感受重要是散热量的原理，在冬季散热量大,因此要穿厚某些的绒衣。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：有如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,

3、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，试解释因素(若不考虑水表面的蒸发)。解：如图所示。假定地面温度为了Te，太空温度为Tsky,设过程已达稳态，空气与地面的表面传热系数为,地球表面近似当作温度为Tc的黑体,太空可当作温度为sky的黑体。则由热平衡:,由于Ta0,而Tsk0和btw2。试求平壁内的稳态温度分布（x）及最高温度的位置xtax,并画出温度分布的示意图。解建立数学描述如下:，,据可得最高温度的位置xtmax，即。温度分布的示意图见图。非稳态导热 一、基本概念本节基

4、本概念重要涉及：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。你觉得对吗?答:由于描述一种导热问题的完整数学描写不仅涉及控制方程,还涉及定解条件。因此虽然非稳态导热的控制方程只与热扩散率有关，但边界条件中却有也许涉及导热系数（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=22co。

5、试阐明该导热物体在x=，=1处的温度是随时间增长逐渐升高，还是逐渐减少。答:由导热控制方程，得:当时,，故该点温度随时间增长而升高。3、两块厚度为30m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忽然上升到0,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13106m/s,12.0-62s。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，均处在第一类边界条件(即Bi)。由题意，两种材料达到同样工况时，Bi数和相似，要使温度分布相似，则只需Fo数相等，因此:，即,而在两种状况下相等,因此:4、东北地区春季，公路路面常

6、浮现“弹簧”,冒泥浆等“翻浆”病害。试简要解释其因素。为什么南方地区不浮现此病害?东北地区的秋冬季节也不浮现“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性来解释。公路路面“弹簧”及“翻浆”病害产生的条件是:地面如下结冰，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，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，从而不会产生“翻浆”。南方地区不浮现此病害的因素是,由于温度波衰减的特性,使得地下部分不会低

7、于0，固然不会浮现此病害。 二、定量计算重要涉及：列出具体物理问题的数学描写并求解;集总参数法的应用；一维非稳态导热问题的分析解(无限大平板,无限长圆柱，球)，这是非稳态导热的典型题，可涉及己知物体内部温度达某一限定值求所需的时间，或求某一时刻物体内的温度分布，也可拟定其她参数(如表面传热系数h、材料的导热系数、热扩散率a和物体的特性长度等)；多维非稳态导热问题乘积解;半无限大物体的分析计算。重点是集总参数法和一维非稳态导热问题分析解的应用。1、一块无限太平板,单侧表面积为A，初温为t0,一侧表面受温度为，表面传热系数为的气流冷却，另一侧受到恒定热流密度qw的加热,内部热阻可以忽视，试列出物体

8、内部的温度随时间变化的微分方程式并求解之。设其她几何参数及物性参数已知。解:由题意,物体内部热阻可以忽视,温度仅为时间的函数,一侧的对流换热和另侧恒热流加热作为内热源解决,根据热平衡方程可得:控制方程为:；初始条件：引入过于温度,则为,上述控制方程的通解为：,由初始条件有:故温度分布:2、热解决工艺中，常用银球来测定淬火介质的冷却能力。今有两个直径均为20mm的银球，加热到650后分别置于20的静止水和20的循环水容器中。当两个银球中心温度均由65变化到45时,用热电偶分别测得两种状况下的降温速率分别为180/s及0/s。在上述温度范畴内银的物性参数=050 kg/m3，c.6102/(kgK

9、),360w(mK)。试求两种状况下银球与水之间的表面传热系数。解：本题表面传热系数未知，即Bi数为未知参数，因此无法判断与否满足集总参数法条件。为此.先假定满足集总参数法条件，然后验算。（)对静止水情形，由且,故:验算Bi数:满足集总参数条件。(2)对循环水情形，同理，验算,不满足集总参数法条件。改用诺谟图。此时,，。查图得，故：3、在太阳能集热器中采用直径为00m的鹅卵石作为贮存热量的媒介,其初始温度为20。从太阳能集热器中引来70的热空气通过鹅卵石，空气与卵石之间的表面传热系数为1 w（m2)。试问3h后鹅卵石的中心温度为多少?每公斤鹅卵石的贮热量是多少？已知鹅卵石的导热系数.2(mK)

10、，热扩散率a=1110-m2/s，比热容c=780J/(kg),密度250k/m3。解：本题是直径为0m的球形物体的非稳态导热问题,先判断B数,不满足集总参数法,需用诺漠图求解。,由图得,即：由，查图得:对每一块鹅卵石:每公斤鹅卵石含石头的个数则每公斤鹅卵石的贮热量为J4、初始温度为0，直径为12cm，高为cm的短钢柱体,被置于温度为3的大油槽中，其所有表面均可受到油的冷却，冷却过程中钢柱体与油的表面传热系数为300/(m）。钢柱体的导热系数8W（mK)，热扩散率a=10-5 2/。试拟定5n后钢柱体中的最大温差。解:本题属二维非稳态导热问题,可采用相应的无限长圆柱体和无限大平板的乘积解求解。

11、显然,圆柱体内最高温度位于柱体中心,最低温度位于柱体的上、下边角处。对无限长圆柱:,查教材附录2图l，得:,由附录2图,得：，其中表达表面过于温度。因此:对无限大平板:由教材图6得：,由教材图7得:因此因此短圆柱中的最低温度：即：短圆柱中最高温度:故i后钢柱体中最大温差：注:本题也可按拟合公式进行计算，读者可作为练习。5、初温为25的热电偶被置于温度为250的气流中。设热电偶热接点可近似当作球形,要使其时间常数=l s.问热接点的直径应为多大？忽视热电偶引线的影响，且热接点与气流间的表面传热系数为300W(m2K）,热接点材料的物性:=0W(mK)85kg/m3，c0（kg）。如果气流与热接点

12、间存在着辐射换热，且保持热电偶时间常数不变，则对所需热接点直径之值有何影响？解出于热电铜的直径很小，一船满足集总参数法条件，时间常数为,故：m故热电偶直径:mm验证Bi数与否满足集总参数法故满足集总参数法条件。若热接点与气流间存在辐射换热，则总表面传热系数h(涉及对流和辐射)增长，由知，保持不变时，可使/A增长,即热接点直径增长。对流换热概述 一、基本概念重要涉及对流换热影响因素；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，该式中没有浮现流速,有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度

13、场无关。试判断这种说法的对的性?答:这种说法不对的，由于在描述流动的能量微分方程中，对流项具有流体速度，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，你觉得对吗？答：在温度边界层中，贴壁处流体温度梯度的绝对值最大,由于壁面与流体间的热量互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与均保持为常数,因而可用绝对值的大小来判断表面传热系

14、数的大小。3、简述边界层理论的基本论点。答：边界层厚度、t与壁的尺寸相比是极小值;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)；对流换热热阻重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阐明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。答：根据对流换热热阻重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

15、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、拟定对流换热系数h有哪些措施？试简述之。答:求解对流换热系数的途径有如下四种:(1)建立微分方程组并分析求解_应用边界层理论,采用数量级分析措施简化方程组,从而求得精确解，得到了Re,Pr及Nu等准则及其准则关系，体现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

16、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)由相似理论指引实验，拟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:如果用形式相似的无量纲方程和边界条件可以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可以表达到如下形式：其中:、有若干个同类物理现象,如何才干阐明其

17、单值性条件相似。试设想用什么措施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:所谓单值条件是指涉及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，一方面是时间条件相似（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R数和P数有关。试以电加热方式加热管内水的受迫对流为例，阐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:模型的选用根据判断相似的条件，

18、一方面应保证是同类现象,涉及单值性条件相似;另一方面是保证同名已定准则数相等。选用无限长圆管;圆管外套设有电加热器。属于管内水的纯受迫流动。需要测量的物理量准则数方程式形式为。由R、u、IU、牛顿冷却公式,以及,可拟定需要测量的物理量有：qv，d，L,，U。所有流体物性由定性温度查取水的物性而得。实验数据的整顿措施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,实验数据整顿的任务就是拟定和的数值。为此必须有多组的实验数据。由多组的实验数据，得:(Re、Pr)iNu将转化为直线方程：;由（Re、Pr）iui得Xii,拟定系数和C。拟定系数n和C的措施有图解法(右图

19、)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:为保证成果的精确性,直线应尽量使各点处在该线上,或均匀分布在其两侧。 实验成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。之因此说是现象群，是由于每一种均相应着一种相似现象群。简朴的实验系统如图所示。 9、绘图阐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f的流体以u速度流入平板前缘时，边界层的厚度=t=0,沿着X方向，随着X的增长，由于壁面粘滞力影响逐渐向流体内部传递，边界层厚度逐渐增长，在达到X距离(临界长度c由Rec来拟定）之前

20、，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c之后，随着边界层厚度的增长,边界层流动转为紊流称为紊流边界层，虽然在紊流边界层中，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、定量计算重要涉及: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4m/的速度流过长宽均为0.2的薄板，tf=20，tw=120,实测空气掠过此板上下两表面时的摩擦力为075N,试计算此板与空气间的换热量（设此

21、板仍作为无限宽的平板解决,不计宽度方向的变化）。解应用柯尔朋类比律其中、用定性温度查教材附录2(P09）“干空气的热物理性质”拟定。,带入上式，得,换热量：,2、在相似理论指引下进行实验，研究空气在长圆管内稳态受迫对流换热的规律，请问:(1)本项实验将波及哪几种相似准则?实验中应直接测量哪些参数才干得到所波及的准则数据?(）现通过实验并经初步计算得到的数据如下表所示，试计算各实验点Re数及N数?()实验点、2、3、的现象与否相似?(5)将实验点标绘在lgu及e图上。(6)可用什么形式的准则方程式整顿这些数据?并拟定准则方程式中的系数。(7)既有另一根长圆管,=8mm,管内空气速度8.9s，tw

22、150；tf5，试拟定管内换热现象与上述表中哪个现象是相似的？并用上表实验成果拟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=3.210-6m2/，=0.030W/（mK)；=21.910-6m2/s；=6m，管内流速23m，它与否与上表中的实验现象相似?与否可以用上表实验成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：定性温度为为tf由于是空气在长管内稳态受迫对流换热,因此波及到的相似准则是Re和N。由e=ud/、Nu=d/、IU及hA(w-tf)懂得需要测量的物理量有u、d、=dL、tf、tf、I、U。计算成果见下表:(1-4：tf=

23、0;5:tf=，定性温度为f)现象序号twW/mm/su/shW/m2ReNulgelg02.5110-11610-65010-3.011510628.884.021482503.528248.66244.4180375.56002114.5.782.069010612675521.212.325150.310-217.510-80038.9 1880. 6 .05-1.090665133 7088.7由于,因此现象14不相似。图略(参照教材P14图5-2）准则方程式形式为根据现象1-4数据,运用最小二乘法(也可以用图解法拟定C和），拟定()中的C和n如下:，因此准则方程式为，其中因现象5雷诺

24、数（=12802.)与现象4雷诺数均不相等，因此现象不与现象1-4均不相似；且由于其雷诺数已超过了现象-4的实验范畴，因此无法用上述实验成果拟定现象5的表面换热系数。因现象6雷诺数（Re=08867)与现象1-4雷诺数均不相等,因此现象不与现象1-4均不相似；但由于其雷诺数处在现象14的实验范畴，因此可以用上述实验成果拟定现象的表面换热系数，措施如下:3、温度为50,压力为.01510P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0.1。按平板长度计算的Re数为404。试拟定:(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

25、流速增长一倍，压力增长到1.325105Pa，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。(）由于=4104515，属层流状态。故：空气定性温度：空气的物性参数为,Pr=070故:/(m2.)散热量W（2)若流速增长一倍,，压力，则,而:，故：因此：,属湍流。据教材式（542b）=96W(m2K）散热量:三、本章提纲如下摘自赵镇南著,高等教育出版社，出版日期：7月第1版传热学、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环绕着如何得到多种不同状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

26、重要因素有流体的流动状态、发生流动的因素、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,忽视主流中速度和过余温度%的差别。速度边界层和温度边界层的基本观点可以概括地总结为如下的基本内容(针对沿平壁的外部流动）：（)速度从零变化到几乎等于主论速度重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,讨以把流场划提成边界层区和主流区，主流可视为等速、无粘性的抱负流体；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

27、,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后来得出来的。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重规定解措施有分析解、实验解、类比措施以及数值解法。分析解：涉及精确解(也叫相似解)和积分方程

28、近似解。虽只能在若干假设条件下求得某些简朴问题的解,但是作为典型措施，它对对的结识对流换热的基本规律仍起着重要的作用。实验解：实验措施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查手段，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。实验解措施应当在相似理论的指引下进行才干得到对的有效的成果。类比措施：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,最重要的两个类比率关系式是;合用条件：；;合用条件:数值解：

29、通过对边界层微分方程组进行离散化解决求得各节点上流体的速度、温度和压力参数的数值求解措施。由于动量方程中存在非线性的对流项及压力梯度项，使对流换热的数值解决比导热复杂诸多。5、相似理论与相似准则数相似原理是指引用实验措施研究涉及对流换热在内的诸多工程技术问题的措施理论。它的重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重要问题:(1)彼此相似的现象，其相应点的同名相似准则数相等。实验中模型应当如何选用,应当测量哪些量？模型应保证与实物物理现象相似，应测量相似准则数中所涉及的各个物理量，其中的物性由定性温度拟定。(2)描述物理过程的微分方程积提成果可以用相似准则数之间的函数关系

30、来表达。实验成果应当怎么表达?应当用准则数关联式的形式来表达。(3）凡同类现象，若同名已定准则数相等且单值性条件相似,那么这两个现象必然相似。实验成果可以应用到哪些范畴?实验成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常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照。 相似准则数的定义与物理解释(按准则数名称的字母排序)、掠过平板的逼迫对流换热应注意辨别层流和湍流两种流态(一般忽视过渡流段)，恒壁温与恒热流两种典型的边界条件，以及局部数和平均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。单相流体对流换热及准则

31、关联式部分 一、基本概念重要涉及管内强制对流换热基本特点；外部流动强制对流换热基本特点;自然对流换热基本特点；对流换热影响因素及其强化措施。1、对皆内强制对流换热,为什么采用短管和弯管可以强化流体的换热？答:采用短管,重要是运用流体在管内换热处在入口段温度边界层较薄,因而换热强的特点,即所谓的“入口效应”,从而强化换热。而对于弯管，流体流经弯管时，由于离心力作用,在横截面上产生二次环流,增长了扰动，从而强化了换热。、其她条件相似时，同一根管子横向冲刷与纵向冲刷相比,哪个的表面传热系数大,为什么？答：横向冲刷时表面传热系数大。由于纵向冲刷时相称于外掠平板的流动，热边界层较厚，而横向冲刷时热边界层

32、薄且存在由于边界层分离而产生的旋涡，增长了流体的扰动，因而换热强。3、在进行外掠圆柱体的层流强制对流换热实验研究时，为了测量平均表面传热系数,需要布置测量外壁温度的热电偶。试问热电偶应布置在圆柱体周向方向何处?答:横掠圆管局部表面传热系数如图。在0-100内表面传热系数的平均值hm与该曲线有两个交点,其所相应的周向角分别为1，2。布置热电偶时,应布置在1,所相应的圆周上。由于对称性，在圆柱的下半周尚有两个点以布置。4、在地球表面某实验室内设计的自然对流换热实验，到太空中与否仍然有效,为什么?答：该实验到太空中无法得到地面上的实验成果。由于自然对流是由流体内部的温度差从而引起密度差并在重力的作用

33、下引起的。在太空中实验装置格处在失重状态,因而无法形成自然对流，因此无法得到顶期的实验成果。、管束的顺排和叉排是如何影响换热的?答:这是个相称复杂的问题,可简答如下:叉排时,流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动,而顺排时则流道相对比较平直,并且当流速和纵向管间距2较小时,易在管的尾部形成滞流区.因此,一般地说，叉排时流体扰动较好，换热比顺排强.或：顺排时,第一排管子正面受到来流的冲击，故=0处换热最为剧烈，从第二排起所受到的冲击变弱，管列间的流体受到管壁的干扰较小，流动较为稳定。叉排时每排管子受到的冲击相差不大,但由于流体的流动方向不断变化,混合状况比顺流好，一般状况下,差排的平均换热系数

34、比顺排时为大。、空气沿竖板加热自由流动时,其边界层内的速度分布与空气沿竖板受迫流动时有什么不同,为什么？答：在自由流动时,流体被壁面加热，形成自由流动边界层.层内的速度分布与受迫流动时不相似流体温度在壁面上为最高，离开壁面后逐渐降到环境温度,即热边界层的外缘，在此处流动也停止,因此速度边界层和温度边界层的厚度相等，边界层内的速度分布为,在壁面上及边界层的外缘均等于零.因此在层内存在一种极大值(见图1).受迫流动时,一般说速度边界层和温度边界层的厚度不相等.边界层内的速度分布为壁面处为零,.而外缘处为u（见图2)。7、试讨论在无限空间自由流动紊流换热时对流换热强度与传热面尺寸的关系,并阐明此关系

35、有何使用价值。答：当在无限空间自由流动紊流换热时,换热面无论是竖壁、竖管、水平管或热面向上的水平板，它们的对流换热准则方程式u=C(GrP）中的指数n都是1/3,因此方程等式两边的定型尺寸可以消去,表白自由流动紊流换热时,换热系数与传热面尺寸（定型尺寸)无关.运用这自动模化特性,在自由流动紊流换热实验研究中,可以采用较小尺寸的物体进行实验,只规定实验现象的GrPr值处在紊流范畴。8、在对流温度差大小相似的条件下,在夏季和冬季,屋顶天花板内表面的对流放热系数与否相似?为什么?答：在夏季和冬季两种状况下,虽然它们的对流温差相似,但它们的内表面的对流放热系数却不一定相等。因素：在夏季tf，在冬季ft

36、，即在夏季,温度较高的水平壁面在上,温度较低的空气在下,自然对流不易产生,因此放热系数较低.反之,在冬季,温度较低的水平壁面在上,而温度较高的空气在下,自然对流运动较强烈,因此,放热系数较高。二、定量计算重要涉及：单管内强制对流换热；外掠单管及管束的强制对流换热;大空间自然对流换热；有限空间自然对流换热及上述几种传热方式的综合应用等。、一套管式换热器,饱和蒸汽在内管中凝结,使内管外壁温度保持在100,初温为25,质量流量为8kgs的水从套管换热器的环形空间中流过，换热器外壳绝热良好。环形夹层内管外径为40m，外管内径为0mm,试拟定把水加热到5时所需的套管长度,及管子出口截面处的局部热流密度。

37、不考虑温差修正。解：本题为水在环形通道内强制对流换热问题,要拟定的是管子长度，因而可先假定管长满足充足发展的规定然后再校核。由定性温度，得水的物性参数W（m.K)，Pa.s/(k.K),Pr=4.1当量直径水被加热假设换热达充足发展, W/（2)换热量：而因此：m因，故换热已充足发展，不考虑管长修正。、某锅炉厂生产的220/锅炉的低温段管式空气预热器的设计参数为：顺排布置，s1=76m, 7m， 管子外径d08mm,壁厚=1.5mm；空气横向冲刷管束,在空气平均温度为33时管间最大流速u1,ma=603m/,空气流动方向上的总管排数为44排。设管壁平均温度w=65，求管束与空气间的对流换热系数

38、。如将管束改为叉排，其他条件不变,对流换热系数增长多少？解：(1）计算Ref,a由定性温度f=133查附录，得空气的物性值为034W/（m)f27.0-2/s,Prf=0684由tw=65查得w0.2。于是 =847（）求顺排时的对流换热系数=0.240.630.68403解得对流换热系数为hf=3.66(m2)（3)求叉排时的对流换热系数代入数据得=0584870.0.6840.381解得叉排时的对流换热系数为h=66.64W/(m2)3、水平放置的蒸汽管道，保温层外径d=8m,壁温w=4，周边空气温度t23。试计算保温层外壁的对流散热量?解：定性温度35.5据此查得空气的物性值为022/（

39、m),vm=15310-6ms，Prm=0.7判据(rPr）m=4.03108109流动属于层流，查表得=.5、n=/4。于是对流换热系数为=0.(4.018）1/4=3.5W(m2)单位管长的对流散热量为qhdo（twt)=3534.583(8-3)=624、温度分别为10和0、面积均为00.5m2的两竖壁，形成厚=15m的竖直空气夹层。试计算通过空气夹层的自然对流换热量？解:（1）空气的物性值定性温度 ,据此,查附录得空气的物性值为m=0.0296W/（)，m=10kgm3,m=.60-6k(ms),=2.91510-3K1，Pr=.694,由此,运动粘度为m2/s(2）等效导热系数e因（

40、GrPr)m=1.003104215,流动属层流。努谢尔特准则为=0.197(1.003104)1/4=33等效导热系数e为e=Numm=.3350.26=0.0395W/（m）（3)自然对流换热量=(050.5)(0-4)39.55、用热线风速仪测定气流速度的实验中将直径为0.mm的电热丝与来流方向垂直放置,来流温度为2，电热丝温度为5，测得电加热功率为20W。假定除对流外其她热损失可忽视不计。试拟定此时的来流速度。解本题为空气外掠圆柱体强制对流换热问题。由题意,=20 W/,由牛顿冷却公式 W/(m2K)定性温度：空气的物性值：,m/s,由此得：假设e数之值范畴在0-40，有:,其中C=0

41、.83,n=.466即:，得Re33.12符合上述假设范畴。故:m/s三、本章提纲如下摘自赵镇南著,高等教育出版社，出版日期:7月第1版传热学本章简介了工程中最常用的几类对流换热问题的基本特性和换热计算关系式与计算措施，它们是掌握对流换热工程设计的基本。学习本章时,应注意掌握多种类型对流问题的流动特性,边界层的特点,流态的鉴别,换热机理及重要的影响因素，合用边界条件,已准则的合用范畴,特性尺寸与定性温度的选用措施。.管内逼迫对流换热（1)流动状况不同于外部流动的情形,无论层流或者湍流都存在流动入口段和充足发展段,两者的长度差别很大。计算管内流动和换热时，速度必须取为截面平均速度。(2)换热状况

42、管内热边界层也同样存在入口段和充足发展段,只有在流体的Pr数大体等于1的时候,两个边界层的入口段才重叠。理解并精确把握两种典型边界条件(恒壁温与恒热流)下流体截面平均温度的沿程变化规律，对管内对流换热计算有着特殊重要的意义。(3)特性数方程式要注意辨别不同关联式所针对的边界条件,由于层流对边界条件的敏感限度明显高于湍流时。还需要特别指出,绝大多数管内对流换热计算式5f对工程上的光滑管，如果遇到粗糙管,使用类比率关系式效果也许更好。()非圆截面管道仅湍流可以用当量直径的概念解决非圆截面管道的对流换热问题。层流时虽然用当量直径的概念也无法将不同截面形状管道换热的计算式所有统一。2.绕流圆柱体的逼迫

43、对流换热流体绕圆柱体流动时,流动边界层与掠过平板时有很大的不同浮现脱体流动和沿程局部Nu数发生大幅度升降变化的主线因素。横掠单根圆管的对流换热计算式还被扩展到非圆管的情形。3绕流管束的逼迫对流换热这是工程中用得最多的流体换热方式之。它的流动和换热的基本特性与单管时相似,但增长了排列方式、管间距以及排数三个新的影响因素。除了光管管束以外,在气体外部绕流换热的场合，多种型式的肋片管柬在工程领域里用得越来越普遍。肋片的型式极多,已经公开刊登的计算式不一定与实际使用的肋片管相似，选择计算公式时应注意这个问题。自然对流换热因温度差引起的自然对流边界层和逼迫流动明显不同样，它具有单峰形状,这种速度分布是在

44、密度差和流体粘性的共同作用下形成的。自然对流换热时速度场和温度场互相锅合，因此求解比逼迫流动更困难些。自然对流换热计算中浮现了一种新的已定特性数r数。它是决定自然对流流动状态的基本因素。自然对流换热对物体的形状、朝向特别敏感,选用特性数方程时应予以足够的注意。极限状况下甚至也许转变成纯导热。近年在自然对流换热领域浮现较多形式复杂、自变量覆盖面广的新特性数关联式，它们适应了计算机计算的需要。有限空间中的自然对流是流动和换热形态都相称复杂的类情形，工程上常常简化为按“导热”的形式来解决,并由此引入当量导热系数的概念。混合对流换热只要壁面与流体之间存在温度差，自然对流的影响就不也许完全避免。这种状况

45、的流场和温度场也十分复杂。工程上一般采用突出重要因素、忽视次要因素的措施来解决这个问题。5强化对流换热强化传热是对流换热原理付诸工程实际应用的重要着眼点，也是传热研究中永恒的主题。必须明确强化的重点或者突破口在哪里，然后再针对具体状况选择一种或几种强化措施。就一般原理而言,在对流换热表面传热系数增大的同步,阻力损失会以更大的比例增长。但是也不排除有的强化措施可以做到换热增强多而阻力变化很小。 凝结与沸腾部分一、基本概念重要涉及重要涉及：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。、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

46、着竖壁高度的不同也许发生层流凝结放热和紊流凝结放热。（A）对层流来说:，可见，当增长时,放热系数减小,/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的增长，膜层厚度也加厚,也即增长了导热热阻，因此放热系数随l增长而减小。（B)对紊流而言:平均换热系数,而R与l也成正比,可见随着l增长,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增长紊流换热得到加强。2、为什么蒸气中具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减少,从而蒸气饱和温度减少，使传热驱动力即温差(s-t)减

47、小；另一方面凝结蒸气穿过不凝结气体层达到壁面依托的是扩散，从而增长了阻力。上述两方面的因素使不凝结气体存在大大减少了表面传热系数，使换热量减少。因此实际冷凝器中要尽量减少并排除不凝结气体。、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，换热强度减少。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，气流扰动增长,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,因而换热强度减少。4、试述沸腾换热过程中热量传递的途径。答:半径RRmi的汽泡在核心处形成之后，随着进一步地的加热,它的

48、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边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不小于蒸汽，故热量传递的重要途径为前者。当汽泡离开壁面升入液体后,周边过热液体继续对它进行加热，直到逸出液面，进入蒸汽空间。、两滴完全相似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,从而表面热流反而不小于后者。因此水滴滴在12的铁

49、板上先被烧干。二、定量计算重要涉及:膜状凝结的分析与计算;沸腾换热的分析与计算。1、压力为05Pa的饱和水蒸气,在高为0.，壁温为0的坚直平板上发生膜状凝结，求平均表面传热系数及平板每米宽的凝液量。解:s=07105Pa的饱和水蒸气相应的饱和温度s,液膜平均温度凝液（水）的物性参数:kg/m3,（K)，ts=9相应的汽化潜热：r=283.1kJ/kg。先假定液膜流动处在层流:检查流态因此，假设层流对的。每米宽平板的凝液量2、一房间内空气温度为5，相对湿度为7。一根外径为30mm，外壁平均温度为1的水平管道自房间穿过。空气中的水蒸气在管外壁面上发生膜状凝结,假定不考虑传质的影响。试计算每米长管子

50、的凝结换热量。并将这一成果作分析:与实际状况相比，这一成果是偏高还是偏低?解:本题房间空气的相对温度为75%,因而从凝结观点有25%的不凝结气体即空气。先按纯净蒸气凝结来计算。25的饱和水蒸气压力Pa，此时水蒸气分压力Pa其相应饱和温度为液膜平均温度凝液物性参数,汽化潜热表面传热系数：、在1.1310Pa的绝对压力下,水在表面温度为11的铜管外表面上进行大容器核态沸腾。求此状况下铜管外表面上的沸腾换热系数h和单位面积的汽化率?解:由饱和压力查得水的饱和温度ts00，2513J/k。沸腾换热系数为：h=0.25t330.5.145（11-10）23(1030）0.5=3.339104(m2)单位面积的汽化率为: 三、本章提纲如下摘自赵镇南著，高等教育出版社，出版日期：7月第1版传热学就一般状况来说，沸腾和凝结都属于强对流换热方式，这两种换热类型在工业应用中占有极其重要的地位,但它们的物理机制和影响因素与单相对流换热差别很大。1沸腾换热大空间饱和沸腾（也称为池沸腾)是研究的重点,其中又