中国科学院研究生院热工基础2012、2013年考研真题试题

中国科学院研究生院
2012年招收攻读硕士学位研究生入学统一考试试题
科目名称：热工基础
考生须知：
1．本试卷满分为150分，全部考试时间总计180分钟。

2．所有答案必须写在答题纸上，写在试题纸上或草稿纸上一律无效。

3．可以使用无字典存储和编程功能的电子计算器。

工程热力学 一、名词解释（共20分，每小题4分）
（1）卡诺定理 （2）熵 （3）理想气体 （4）平衡状态 （5）可逆过程
二、简答题（共15分，每小题5分）
（1）写出3个热力学基本状态参数并解释其意义。

（2）在温-熵（T-S）图上绘出以饱和蒸气为工质的卡诺循环过程，并标出做功量，写出循环效率的计算式。

说明图中每个过程是什么，并举例说明在哪种设备中发生。

（3）气流通过喷管，气体绝热膨胀、压力降低、流速增加，写出不同马赫数下的气流截面变化规律。

三、（共10分）证明下列等式=v v c s T T ∂⎛⎫
⎪∂⎝⎭，=p
p c s T T
∂⎛⎫ ⎪∂⎝⎭。

四、（共10分）某制冷机工作于两恒温热源3231=T K，2732=T K 之间，如果工
质在放热1Q 过程中与高温热源的温差为7K，在吸热2Q 过程中与低温热源的温差为3K，压缩机做功为net W 。

试判断以下几种情况能否实现，是否是可逆循环。

（1）2702=Q J ，60=net W J ； （2）10002=Q J ，11501=Q J ； （3）5402=Q J ，150=net W J 。

五、（共10分）某种理想气体以700℃、0.6MPa 及100m/s 的速度流入绝热收缩喷管，若喷管的背压25.0=b p MPa 、速度系数=ϕ0.9、喷管的截面积为24002mm 。

（1）计算喷管的流量；
（2）计算由摩擦引起的作功能力损失。

已知该气体的物性参数为)K kJ/(kg 32.0⋅=g R 、)K kJ/(kg 16.1⋅=p c 。

环境温度300=s T K ，定熵流动下的表达式：k pv =定值；滞止参数表达式为20/2p T T c c =+；
流速表达式为2c =1
2(
)1
cr v κκκ-=+。

六、（共10分）某燃气轮机乏气温度为800=H T K，采用某一热机循环来回收其余热，工质的平均吸热温度为6001=T K,平均放热温度为3002=T K。

热机的效率为工作在1T 和2T 温度区间卡诺循环的80%，即ηη8.0=t c 。

每kg 工质，热源放热量1001=q kJ。

已知环境温度2880=T K。

试采用可用能(火用)分析方法求各相应温度下的可用能(火用)和不可逆损失。

传热学
一、简答题（共25分，每小题5分）
（1）热扩散系数的物理意义是什么？试写出它与导热系数的主要区别。

（2）说明辐射换热的主要特点。

（3）什么是速度边界层？请画出流体掠过平板时速度边界层的发展过程。

（4）画出竖壁附近自然对流的温度分布与速度分布并分析其特征。

（5）简述地球“温室效应”的形成机制。

二、（共10分）厚度为δ导热系数为λ的半无限大平板，一侧（x =0）绝热，另一侧（x =δ）为恒温δt 。

平板内部放置一个热源Φ，且ax e ΦΦ-=0，a 为常数。

在稳态条件下，
（1）导出平板中温度分布的表达式； （2）计算x =0处的温度；
（3）计算δ=x 处的热流密度。

三、（共10分）某管壳式换热器，水蒸气在管壳侧凝结，产生的热量被管内的水带走。

管长5=l m，管内径20=d mm。

假设管壁很薄、温度均匀，管内的水入口温度f t '=84.3︒C，水在管内的流速为m/s 2=u ，管壳侧水蒸气温度为o T =100︒C、
凝结换热系数为421.5710W /(m K)o h =⨯⋅。

试计算
（1）管内换热系数i h 、管壁温w T 及水出口温度f t ''。

水的平均温度取算术平均值。

（2）该换热器的对数平均温差及总传热系数。

已知：管内湍流强制对流换热0.80.40.023Re Pr f f f
Nu =；水的物性，0.68W/(m K)f λ=⋅,620.32610m /s f υ-=⨯,3965.3kg/m ρ=, 4.208kJ/(kg K)p c =⋅。

四、（共15分）在室温为10℃的大房间中，有一个竖直部分高1.6m ，水平部分长20m ，直径为20cm 的烟筒。

该烟筒所用材料的发射率为0.7，求当烟筒的平均壁面温度为110℃时单位时间总的散热量。

假设烟筒分别按照竖直段和水平段计算，不考虑相交部分的影响。

空气物性31.060kg/m ρ=， 1.005kJ/(kg K)p c =⋅，0.029W/(m K)f λ=⋅，6218.9710m /s υ-=⨯。

已知大空间内自然对流换热关联式：n
f Nu C GrPr =（）；32
tl Gr βυ∆=g ；
层流：491.4310310Gr ⨯≤≤⨯，0.59C =，0.25n =； 湍流：10210Gr ≥⨯，0.11C =，0.33n =。

五、（共15分）用一裸露的圆球热电偶测量烟气管道内的温度，该热电偶直径为1mm ，密度为38500kg/m ，比热容为400J/(kg K)⋅，导热系数为20W/(m K)⋅。

该热电偶的测量值为1177t =℃，管道内壁温度为94w t =℃，烟气对热电偶的表面对流换热系数h =142W/(m K)⋅，热电偶表面的黑度10.6ε=。

（1）试求该热电偶在该场合下的时间常数； （2）求烟气的真实温度；
（3）如果其他条件不变，给热电偶加以黑度为0.8的足够长的遮热罩，烟气对遮热罩的对流换热系数同样为h =142W/(m K)⋅。

求此时热电偶的测量值。

中国科学院大学
2013年招收攻读硕士学位研究生入学统一考试试题
科目名称：热工基础
考生须知：
1．本试卷满分为150分，全部考试时间总计180分钟。

2．所有答案必须写在答题纸上，写在试题纸上或草稿纸上一律无效。

3．可以使用无字典存储和编程功能的电子计算器。

到0
0.1MPa p p ==时，立即关闭阀门，这个过程可视为绝热过程。

已知进入容器内的气体在容器外时体积为301m V =，该气体是摩尔定容比热为常数的理想气体，绝热指数为 1.4γ=。

试计算： （1）进入容器内气体的内能与它在容器外时的内能之差U ∆； （2）进入容器后气体的温度T ； （3）容器的体积V 。

四、（10分）空气进入渐缩喷管时的初速为200m/s ，初压为1MPa ，初温为500℃，求喷管达到最大流量时出口截面的流速、压力和温度。

已知空气的 1.4γ=，R g =287J/(kg·K)，c p =1005J/(kg·K)。

五、（20分）某R134a 为工质的朗肯循环利用当地海水为热源，已知R134a 的流量为1000kg/s ，当地表层海水的温度为25℃，深层海水的温度为5℃。

若在加热和冷却过程中近似认为海水和工质的温差都为5℃，且工质不过热，试计算循环
（1）套管中温度分布表达式； （2）1r r =处热流密度； （3）2r r =处温度。

三、（12分）水流过10m 长的管道，入口温度为20℃，出口温度为40℃，管内径d =20mm ，水在管内流速为2m/s ，求对流换热系数和管壁平均温度。

已知：30℃水的物性为()0.618W/m K λ
⋅，620.80510m /s v −×，42.5Pr =，
3
995.7kg/m
ρ=，()4.17kJ/kg K p c =⋅。

管内流强制对流换热关联式为0.80.4Nu 0.023Re Pr =。

四、（13分）如图所示，用一个板式紧凑式换热器来冷却一个燃气轮机的润滑油。

板式换热器由多层薄金属板组成，共有60个宽度为a 的流道。

润滑油和水的流动被分为30股独立的支流，两者在交替流道中逆向流动。

换热器外部整体为边长为L 的立方体，
忽略板厚度以及换热器对环境的热损失。

冷却水总流量为0.2kg/s ，润滑油总流量为
0.1kg/s 。

冷却水和润滑油入口的温度分别为20℃和150℃。

欲使润滑油出口温度达到30℃。

试计算换热器的边长L 。

已知：水物性：()4.178kJ/kg K p c =⋅，427.2510N s/m µ−=×⋅，0.625W/(m K)k ⋅，
3944kg/m ρ=；润滑油物
性：()2.131kJ/kg K p c =⋅，223.2510N s/m µ−=×⋅，0.138W/(m K)k
⋅，3852.1kg/m ρ=；假设流动为层流，且D Nu 7.54=。

五、（15分）一根很长的钢管，外径d =100mm ，外壁温度为80℃，表面发射率为0.85，置于一横截面为1m ×1m 的砖砌暗槽内，暗槽内壁温度为20℃，表面发射率为0.9。

求：
（1）单位长度钢管表面的辐射换热量；
（2）若将该钢管置于大空间中，空间环境的温度、发射率与暗槽内表面相同，则单位长度钢管表面的辐射换热量是多少？。