设施设计基础习题课

解： 管子细长，忽略进口段的影响，平均温度： 1 t f 15 65 40 C 2 水的物理性质：
f 0.635W/ m K ， f 0.659 106 m 2 / s, Pr f 4.31
Re f ud
f
1.52 104
管内流动湍流： Nu f 0.023Re f 8 Pr f 0.4 91.4 h
解：
q
1 1 h1 h2
tf1 tf 2
[25 (10)] K 100 W / m2 1 0.15m 1 2 5W (m K ) 1.5W (m K ) 20W (m 2 K )
根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流 换热，
q h1 t f 1 t w1

hw c pa tw d w r c pw
t
w

hw h
c pa d w r c pwtw c pa d r c pwt d

c pa t w d w r c pwt w c pat r c pwt
C p Pr a t
四、对流
对流换热现象相似的准则和准则方程
无量纲相似特征数（准则数）

Re--雷诺数（Reynolds），表征惯性力 与粘性力的相对大小（已定准则） Pr--普朗特数（Prandtl），表征动量扩 散厚度与热量扩散厚度的相对大小（已 定准则） Nu--努赛尔特数（Nusselt），壁面上无 量纲温度梯度的大小，其大小表征换热 的强弱（待定准则） Gr--格拉晓夫准则数（Grashof），表 征浮升力与粘性力的大小（已定准则）
解：已知开口一侧水面压强是大气压． 因水平面是等压面，B点的压强以相对压强 计pB=0。 A点压强： PA=PB+ρghAB=ρghAB =1000×9.8×1.5=14700Pa C点压强： PC=PB-ρghBC =-ρghBC =1000×9.8×2=-19600Pa C点真空度： Pv= -PC =19600Pa。
四、对流
牛顿冷却公式 hA(t tf ) 对流换热的影响因素

特征长度（定型尺寸）
比定压热容
体膨胀系数
h f v , tw , tf , , , c , , , l ,
热导率


粘度
几何因素,形状，相对位置等
边界层理论——流动边界层 u 0.99u 边界层理论——热边界层 t t w 0.99 t t w t 热边界层与速度边界层关系
三、导热
傅立叶定律 温度梯度：温度梯度是矢量，指向温度增加的方向 导热系数λ dt面积热流量） w/ ㎡ q A dx

dx
一维稳态导热及其导热热阻
t tW 1 tW 2 A A
t tW 1 tW 2 q
f
d
Nu f 5804W/ m 2 K
1、一房屋的混凝土外墙的厚度为 =150mm ，混凝土的 热导率为=1.5W/(m· K) ，冬季室外空气温度为tf2=-10℃, 有风天和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/(m2· K)，室 内空气温度为 tf1= 25℃, 和墙壁之间的表面传热系数为 h1=5 W/(m2· K)。假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热 系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及 内外墙壁面的温度。

Nu 答：（1）努谢尔特数，
hl

，它表示壁面法向无量纲过
余温度梯度的大小，或反映对流换热的强弱。
ul Re （2）雷诺数，
，它表示流体流动时惯性力与粘性
力的相对大小。
（3）普朗特数，Pr ，它反映了流体的动量传递能力与热 a

量传递能力的相对大小。

在一冷凝器中，冷却水以1 m/s的流速流过内径为10mm、 长度为3m的铜管，冷却水的进、出口温度分别为15℃和 65℃，试计算管内的表面传热系数。水的物性见教材p101
一、湿空气的性质

绝对湿度ρw 绝对湿度能否完全说明湿空气的潮湿程度和吸湿能力？ 绝对湿度并不能完全说明湿空气的潮湿程度和吸湿能力
相对湿度φ（饱和度）——衡量空气干燥或潮湿程度的一 Pw 个参数 Ps 比容v：湿空气的容积

密度ρ 含湿量d d 0.622
pw ps =0.622 p pw p ps
《农业设施设计基础》
习题课
园艺园林学院 庞真真
一、湿空气的性质

基本要求

掌握湿空气性质、术语；了解湿空气各参数间基本关系；掌握焓 湿图应用。

湿空气 干空气


道尔顿分压定律
理想气体状态方程 湿空气的总压力p 空气干球温度热力学温标T(K)与摄氏温标t(℃) 水蒸气的分压力pw 饱和水蒸气分压力ps PS =f（T）
旺盛湍流
4
Re 104
自然对流

传热机理：
温差密度差浮升力自然对流自然对流换热
Gr

gtl 3

2
式中：=1/T
大空间自然对流换热特征数关联式
Nu c(GrPr )n
1 定性温度： tm tw t 2
写出Nu、Re、Pr数的表达式，并说明其物理意义。
二、流体力学基础
流体静压强 p p0 h 绝对压强p‘ 相对压强p 真空pv 一元恒定流动 理想的流体运动方程的积分－Bernoulli方程 恒定总流的能量方程式 流态、层流和湍流 温室通风换气的目的 自然通风和机械通风

流体力学习题

立置在水池中的密封罩如图所示，试求罩内A、B、C三 点的压强。
一、湿空气的性质

焓h：湿空气中含有的总热量
h c pat d r c pwt
kJ kg 干空气
Cpa =1.01 kJ／ (kg· ℃)，干空气的定压质量比热容 Cpw=1.85 kJ／ (kg· ℃)，水蒸气的定压质量比热容 r——水在0℃时的汽化潜热，2501kJ/kg

一双层玻璃，高2m，宽1m，厚0.3mm，玻璃的导热 系数为1.05W/(m.K)。双层玻璃的空气夹层厚度为 5mm夹层中的空气完全静止，空气的导热系数为 0.025 W/(m.K)。如果室内外冬季玻璃表面的温度分 别为15℃和5 ℃，试求玻璃窗的散热损失。
tw1 - tw2 15 5 = 97.2W 0.003 0.005 0.003 R1 R 2 R 3 2 1.05 2 0.025 2 1.05
注：C、n及m为待定常数，由实验确定

注意：三大特征量（定性温度、特征尺度、特征速度）必须 与得出所给关联式的实验验证范围相同
四、对流
管内强迫对流换热
流动进口段与充分发展段
层流
Re
um d

2300
（um 为平均流速）
热进口段与热充分发展段
层流到湍流的过渡阶段
2300 Re 10

1、试分析室内暖气片的散热过程，各个环节有哪些热量传 递方式？以暖气片管内走热水为例。
答：有以下换热环节及传热方式：
(1) 由热水到暖气片管道内壁，热传递方式为强制对流换热；
解： q1,2
Eb1 Eb2 (T14 T24 ) 1 1 1 1 1 1 1 2 1 2
P77 2-69
4 4 5.67 108 (273 400) (273 50) 1 1 1 0.8 0.8
7.43 103 W / m2

显热和潜热：
hs=( cpa+d cpw ) t 是与温度变化有关的热量，是伴随着温 度变化而产生的热量变化，称为显热。 h1=dr ，是与温度变化无关，仅与含湿量变化有关的热量， 称为潜热。
一、湿空气的性质

在农业设施中的空气，当其状态发生变化时，变化前后吸收 或放出的热量为：
Q= ma（ h2 - h1 ）(kJ)
湿球温度水蒸气处于饱和状态：按tw查饱和水蒸气表 （P3表1-1），得饱和水蒸气分压力ps =1401.5 Pa。 对于饱和空气pw=ps ：（P3 1-4）

（P3 1-5） d w 0.622
ps 1401.5 0.622 p ps 105000 1401.5 kg干空气
五、辐射

斯蒂芬-波尔滋曼定律
黑体辐射热流： T 4 bAT CbA( ) 100
4
黑体辐射常数
5.67 108 w /(m 2 .k 4 )
b
Cb 5.67 w /(m 2 .k 4 )


五、辐射

有两块平行放置的大平板，板间距远小于板的长度和宽度， 温度分别为400℃和50℃，表面发射率为0.8，试计算两块 平板间单位面积的辐射换热量。
1 t w1 tf 1 q 5C h1
q h2 t w 2 t f 2
tw 2
1 tf 2 q 15C h2
五、辐射
黑体辐射力Eb 辐射力E 光谱辐射力Eλ 发射率（黑度） 角系数 灰体 有效辐射

普朗克（Planck）定律 斯忒藩-玻耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律 维恩（Wien）位移定律
一、湿空气的性质
露点温度td 空气湿球温度tw

湿球温度tw总是低于干球温度，高于空气的露点温度td td< tw<t （当φ<1）

对于饱和空气，则蒸发过程不会发生，从而传热过程也 不会发生，三种温度相等