传热学典型简答题 - 下载本文

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℃,1.01325×10Pa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)。

5

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h,地球表面近似看成温度为Tc的黑体,太空可看成温度为Tsky的黑体。则由热平衡:

由于Ta>0℃,而Tsky<0℃,因此,地球表面温度Te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λ1,λ2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λ1和λ2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tH尽量接近流体温度tf),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tw1、tW2,导热系数为λ=λ0(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=2ycosx。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。

2

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103×10m2/s,12.9×10m/s。

-6

2

-6

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3、简述边界层理论的基本论点。

答:边界层厚度δ、δt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;

绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小。

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。