传热学考题答案-机械学院4字班-2007

清华大学本科生考试试题专用纸（试题A） 考试课程 传热学 2007 年 1 月 12 日 班级 姓名 学号 一、选择题: 将选择出的答 案写在题前的方括号内。(15分) 1、在同样的加热或冷却条件下：a) 物体内部各处温度差别愈小，则其导温系数a值愈大；b) 物体内部各处温度差别愈大，则其导温系数a值愈大；c) 导热系数值及热容量愈大, 则a愈大。 2、导热：a) 只能发生在密实的固体中；b) 只能在固体和静止的流体中发生；c) 只能在固体和上面温度高下面温度低的流体层中发生；d) 可以在固体、液体及气体中发生。 3、换热器中流体通过换热器后，可能经历的最大温差是：a) 大热容量流体的进出口温差；b) 小热容量流体的进出口温差；c) 冷热流体的出口温差；d) 冷热流体的进口温差。 4、有一平壁传热过程，左侧的对流换热系数h左 =2000W/（m2 ）, 右侧的对流换热系数h右 =10W/（m2 ），平壁厚=2mm，导热系数=10W/（m），要想增强传热过程应从何处着手：a) 提高h右 ；b) 提高h左；c) 提高导热系数。 5、夏天人们喜欢穿白颜色的衣服，是因为白颜色对可见光有较大的：a) 辐射率；b) 吸收率；c) 透射率；d) 反射率。二、简要回答下列问题：(35分)1、何谓肋片效率？采用加装肋片来强化换热，对肋片的选材、肋片的形状和肋片效率有何要求？2、简述Bi和Fo准则的物理意义。和时，一维平板非稳态导热温度分布的特点（用图形表示）。3、简要画出大空间沸腾换热的沸腾曲线，简述大空间沸腾换热的主要过程与机理。4、何谓物理现象相似？两个对流换热现象相似的条件是什么？相似原理对解决传热问题有何意义？5、太阳能集热器采用选择性表面涂层，它对太阳辐射的吸收率为0.9，它本身的发射率为0.3，这一现象是否违背基尔霍夫定律？为什么？ 第 1 页/共 2 页三、计算题：(50分)1、 将初始温度为20的热电偶突然放入温度为250的气流中，10秒钟后热电偶的温度为85。试问：热电偶的温度上升到180需要多少时间？(12分) 2、 一个细长金属杆内的温度分布为，式中以小时计，x是从杆端算起的坐标。已知金属杆的导热系数为，杆长为L=1m。试求半小时后通过杆中间面（x0.5L）处的热流密度。(10分)3、某受迫对流换热设备，其中空气的流速为0.5m/s，空气的平均温度,现在拟用特征尺寸缩小成1/5的模型进行实验研究，模型中的空气平均温度为40,试问:模型中的空气速度为多大才能保证模型中的换热过程与原型的相似？ (12分)空气的物性如下： t 20 40 60 80 100 120 15.06 16.96 18.97 21.09 23.13 25.45 Pr 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.74、在太空中飞行的宇宙飞船，表面贴有厚0.15m、导热系数的热绝缘层，而外表面的黑度为0.04。设飞船内空气温度为20，空气与内壁间的对流换热系数为6 W/（m2K）。试求飞船外表面的温度。(假设宇宙空间温度为0K；忽略飞船壁面的导热热阻) (16分) 清华大学本科生考试试题答案（试题A）考试课程 传热学一、选择题: 将选择出的答案写在题前的方括号内。(15分)1. a 2. d 3. d 4. a 5.d二、 简要回答下列问题：(35分) 1. (7分)答：肋片效率为肋片的实际散热量与假设整个肋片温度都与肋根温度相同时的理想散热量之比。 -3分肋片效率的主要影响因素有：（1） 肋片材料的热导率：热导率愈大，肋片效率愈高；-1分（2） 肋片高度：肋片愈高，肋片效率愈低；-1分（3） 肋片厚度：肋片愈厚，肋片效率愈高；-1分（4） 表面传热系数：表面传热系数愈大，肋片效率愈低。 -1分2（7分）答：，表示物体内部导热热阻与物体表面对流换热热阻的比值，它和第三类边界条件有密切的联系。-1.5分 是非稳态导热过程中的无量纲时间，表示非稳态导热过程进行的深度。-1.5分意味着平板的导热热阻趋于零，平板内部各点的温度在任一时刻都趋于均匀一致。（见下图b）-1.5分表明对流换热热阻趋于零，平板表面与流体之间的温差趋于零。（见下图a）-1.5分-1分3、（7分）答：水在1个大气压下大空间沸腾换热的沸腾曲线如图所示。随着壁面过热度的增高，出现4个换热规律不同的区域。-1分1） 自然对流沸腾：沸腾温差很小，壁面上只有少量气泡产生，而且气泡不能脱离壁和上浮，看不到沸腾的现象，热量依靠自然对流过程传递到主体。-1.5分2） 泡态沸腾：B点后开始产生大量气泡。气泡在壁上生成、长大，随后因浮力作用而离开壁。由于气泡大量迅速的生成和它的激烈运动，换热强度剧增，热流密度急剧增大，直到达到热流密度的峰值。-1.5分3） 过渡态：C点后，生成的气泡过多，在加热面上形成气膜，开始时是不稳定的，气膜会突然裂开变成大气泡离开壁，阻碍了传热，换热状况恶化。 -1.5分4） 膜态沸腾：壁面全部被一层稳定的气膜所覆盖，气化只能在气膜与液的交界面上进行，气化所需要的热量靠导热、对流、辐射通过气膜传递。此时壁温很高，辐射换热随热力学温度4次方急剧增加，D点后热流密度又继续回升。-1.5分4. (7分) 答：物理现象相似的定义：如果同类物理现象的所有同名的物理量在所有对应瞬间、对应地点的数值成比例，则称物理现象相似。-3分物理现象相似的条件：1）同类物理现象；2）单值性条件相似；3）同名已定特征数相等。-2分相似原理是指导如何对传热问题进行实验研究的理论，回答了3个问题：1）如何安排实验；2）如何整理实验数据；3）实验结果的应用范围。-2分5（7分）答：这一现象与基尔霍夫定律不矛盾。-1分原因：基尔霍夫定律的基本表达式为： -1分它表明：在热平衡条件下，表面的定向光谱发射率等于它的定向光谱吸收比。-1分 太阳能集热器的吸收板表面上覆盖的选择性涂层，它所吸收的阳光来源于太阳，它对阳光的吸收比是针对太阳温度而言的；-1分 而它本身的发射率是针对其自身的温度。-1分 太阳的温度与太阳能集热器吸收板表面的温度显然不同。温度不同使阳光与太阳能集热器吸收板表面自身辐射的光谱分布也不同。所以，这种选择性涂层能使表面吸收阳光的能力与本身辐射的能力不一样与基尔霍夫定律并不矛盾。-2分二、计算题：(50分)1 解：由集总参数法可知: 对两边求导: -3分 -3分 因为已知热电偶在两个不同时刻的温度, 以及被冷却到的时间, 代入上式,可得: -4分联立两式求解:=-2分2解: 因为 将t对x求导可得: -4分 根据傅立叶导热方程, 可知热流密度为: -3分 将已知量代入: , L=1m, x0.5L, q=30.31W/m2·s -3分3要使两模型中的换热过程相似，必须保证同名已定准则数相等，即 但因为工质均为空气，Pr近似不变；又因为换热为强制对流换热，所以自然对流的影响可忽略，Gr可不考虑。故只需保证 即: -6分 将 代入上式得： -6分 得： 所以，模型中的空气速度为时，可保证模型中的换热过程与原型的相似。4 解: 由飞船的能量平衡可知, 飞船内部对流换热的热流密度等于通过涂层导热的热流密度和飞船向宇宙辐射所产生的热流密度. 可得如下方程组.: 设飞船外表面的温度为 -10分两式联立求解得:=257.15K. 即=-273.15=257.15-