工学-传热学简答题

工程流体力学问做题总结
1.为什么用纸杯可以烧开水？
答：水侧的热阻远小于加热侧的热阻,纸的温度更接近水的温度, 所以不会到达纸的着火点.
2.冬天,隔着玻璃晒太阳感觉更暖和,为什么？
答：普通玻璃对太阳辐射的光几乎完全穿透,而对常温下室内物体的红外辐射热量被阻挡在房间内,这一现象类似“温室效应〞3.中央电视台1999年9月5日的?科技博览?指出：72℃的铁和600 ℃的木头摸上去的感觉是一样的,您知道为什么吗？答：人手感受到的冷暖实质上是热量传递的快慢,而铁的导热系数远大于木头.
4.住新房和旧房的感觉一样么？为什么住新房感觉冷呢？答：由于水的导热系数远大于空气,而新房墙壁含水较多,所以住新房感觉冷.
5.为什么要及时去除冰箱内的结霜,否那么耗电量就会增加？答：由于冰箱结霜相当于在冷流体〔制冷剂〕与热流体〔空气〕的传热过程中,串联环节中增加了一个热阻.因此,要保证冰箱内到达相同的空气温度,在结霜情况下必然要降低制冷剂的蒸发温度,而是以增加压缩机功耗为代价的.
6.改变暖气中的水流速度是否可以改变显著地增强换热？答：暖气内部是水的强制对流换热,而外部是空气的自然对流换热,由于空气侧对流换热外表传热系数远小于水侧的.热阻主要集中在空气侧,因而,通过改变水侧〔既进一步减小水的热阻〕对传热量的奉献不
大.
7.冬天的晴天白天与晚上的空气温度相同,为什么白天热而晚上却冷些？
答：主要由于白天有来自太阳的辐射能量的缘故.
8.北方,深秋或者初冬季节的清晨,为什么树叶总是在朝向太空的一面结霜？
答：霜会结在树叶的上外表.由于清晨,上外表朝向太空,下表面朝向
地面.而太空外表的温度低于摄氏零度,而地球外表温度一般在零度
以上.由于相对树叶下外表来说,其上外表需要向太空辐射更多的能
量,所以树叶下外表温度较高,而上外表温度较低且可能低于零度,因
而容易结霜.
9.室温下呈黑色的铁棒在炉中加热时,颜色渐呈暗红、红、橙黄, 这是为什么？
答：随着铁棒的加热,温度升高,其辐射能量最大的波长向短波方向移
动,即经历了由远红外线、近红外线到可见光区域,因而会呈现上述颜
色变化.
10.海水的颜色为什么总是蓝色的？
答：这是由于海水的非灰性质引起的,即海水对不同的波长的可见光
吸收率不同,对蓝色波长附近的射线吸收少,反射多,所以呈蓝色.
11.要增加物体间的辐射换热,有人提出用发射率2大的材料.
而根据基尔霍夫定律,对漫灰外表,e=Q,即发射率大的物体同时其吸收比也大.有人因此得出结论：用增大发射率^的方法无法增强
辐射换热.请判断这种说法正确性,并说明理由.
答：在其它条件不变时,由物体的外表热阻
可知,当£越大时,物体的外表辐射热阻越小,因而可以增强辐射换热.因此上述说法不正确.
12.“善于发射的物体必善于吸收〞,即物体辐射力越大,其吸收比也越大.这样认为对吗？
答：基尔霍夫定律对实际物体成立必须满足两个条件：物体与辐射源处于热平衡,辐射源为黑体.也即物体辐射力越大,其对同样温度的黑体辐射吸收比也越大,善于发射的物体,必善于吸收同温度下的黑体辐射.所以上述说法不正确.
13.人造地球卫星在返回地球外表时,为何易被烧毁？
答：卫星在太空正常运行时,其外表的热量传递方式主要依靠与太空及太阳等星体的辐射.而在卫星返回地面的过程中,由于与大气层之间的摩擦,产生大量的热量,无法及时散失,因而易被烧毁.
14.在波长入＜2回的短波范围内,木板的光谱吸收比小于铝板, 而在波长〔入＞2回〕范围内那么相反.在木板和铝板同时长时间放在太阳光下时,那个温度高？为什么？
答：波长小于2曲时,太阳光的辐射能量主要集中在此波段, 而对常温下的物体,其辐射波长一般大于2曲.在同样的太阳光条件下,铝板吸收的太阳能多,而在此同时,其向外辐射的能量却少于木板〔在长波范围内,铝板吸收比小于木板,由基尔霍夫定律,其发射率亦小于木板〕.因此,铝板温度高.
15.黑体外表与重辐射外表相比,均有J = Eb.这是意味着黑体外表与重辐射外表具有相同的性质？
答：虽然黑体外表与重辐射外表均具有J = Eb的特点,但二者具有不同的性质.黑体外表温度不依赖于其他参与辐射的外表, 相当于源热势.而重辐射外表的温度那么是浮动的,取决于参与辐射的其它外表.
16.在太阳系中地球和火星距太阳的距离相差不大,但为什么火星外表温度昼夜变化却比地球要大得多？
答：由于火星附近没有大气层,因而在白天,太阳辐射时火星表面温度很高,而在夜间,没有大气层的火星与温度接近于绝对零度的太空进行辐射换热,因而外表温度很低.而地球附近由于大气层〔主要成分是CO2和水蒸气〕的辐射作用,夜间天空温度比太空高,白天大气层又会吸收一局部来自太阳的辐射能量,因而昼夜温差较小.
17.任意形状物体对流换热热量计算方法.
对任意形状的物体,当其在和流体的接触中传递热时,为了计算所传热量的大小,需要计算该物体对流体的外表传热系数h值. h值的计算方法通常如下：
〔1〕求出物体外表温度Tw和流体温度Tf的算术平均值〔定性
温度),查取流体在这个平均温度下的物性值：比热Cp；黏度以；运动黏度丫；密度p；导热系数入；普朗特数Pr等等；
(2)根据物体的形状和流体的流动形式,选定对流换热影响大, 关系最密切的定形尺寸L和特征速度u;
(3)由以上的L、u、v等计算雷诺数或格拉晓夫数和普朗特数Re
/Gr, Pr (也可由查取物性参数获得)；
(4)根据计算得出的雷诺数或格拉晓夫数Re /Gr值来判定流体的流动状态是层流还是紊流；
(5)根据上面的判定及计算所得或由物性参数所得Pr数来选择适当的努谢尔特数(努塞尔数)无量纲特征方程表达式Nu=f(Re,Pr); (6)将求出的雷诺数Re、普朗特数Pr的值代所选定的Nu表达式,计算Nu的值；
(7)由得到的Nu值,利用无量纲特征准数定义式来计算外表换热系数h的值,h=入Nu/L;
(8)根据求得的h值,由牛顿冷却公式计算出对流换热换热量
①：
6=h(Tw—Tf)A 或①=(入Nu/L)(Tw—Tf)A
18.由对流换热微分方程式说明,在边界上垂直与壁面的热量传
递完全依靠导热,那么在对流换热过程中流体的流动起什么作
用？
7 九d t
h ——
苹c y
y=0
答：
(1)在描述对流换热的能量微分方程中,对流项含有流体速度, 即要获得流体的温度场,必须先获得速度场,只有流体流动,才能建立流动速度场；
(2)流体流动可带来热量,亦可带走热量,流动与换热密不可分.
19.用冰冷却食物,冰放在食物上面还是下面？
答：将冰放在食物上面.这样做,被冰块冷却的空气,便会很快下沉,使物体四周罩上一层冷空气,而且不断地把物体散发出来的热量赶走.冰箱里的冷冻库,总是放在冰箱的最上层,也就是这个道理.
20.空气横掠管束时,沿流动方向管排数越多,换热越强,而蒸汽在水平管束外凝结时,沿液膜流动方向排数越多,换热强度越低.试对上述现象出作出解释.
答：空气外掠管束时,沿流动方向管排数越多,气流扰动增加, 换热越强.而蒸汽在水平管束外凝结时,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,因而换热强度降低.
强化凝结换热的原那么
减薄或破坏凝结液膜,以及使已凝结的液体尽快从凝结外表排泄,尽
可能减少不凝结气体质量分数.
强化举措
①减薄液膜厚度或破坏液膜.如采用低肋管等高效冷凝面；增加顺液膜流动方向的蒸汽流速；对单管或管束尽量放置成水平位置.
②加速液膜排泄.如采用分段排泄管、沟槽管、泄出罩或应用离心力、静电吸引力等举措.
③减少不凝结气体质量分数.如采用抽吸、引射等方式或顺液膜流动方向增加蒸汽流速.
④对凝结外表采取一定举措,使其尽可能实现珠状凝结.
21.为什么蒸汽中含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,一方面使凝结外表附近蒸汽的分压力降低,从而蒸汽饱和温度降低,使传热驱动力即温差〔ts-tw〕减小；另一方面凝结蒸汽穿过不凝结气体层到达壁面依靠的是扩散,从而增加了阻力.上述两方面的原因使不凝结气体存在大大降低了外表传热系数,使换热量降低.所以实际冷凝器中要尽量降低并排出不凝结气体.
22.试从沸腾过程分析,为什么用电加热器时当加热功率q> qMax 时易发生壁面被烧毁的现象,而采用蒸汽加热那么不会？答：用电加热时,加热方式是限制外表的热流密度.而采用蒸汽加热那么是壁面温度可控的情形.由大容器饱和沸腾曲线可知,当
加热功率q稍超过qMax值时,工况将沿qMax虚线跳至稳定膜态沸腾曲线,使壁面温度飞升,导致设备烧毁.
限制临界热流密度中皿的意义
23.两滴完全相同的水滴在大气压下分别滴在外表温度为120℃
和400℃的铁板上,试问滴在那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△
t=tw-ts=20℃ 和△t=300℃,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, 其外表传热系数大,从而外表热流反而大于后者.所以水滴滴在120℃的铁板上先被烧干.
24.试画出大容器沸腾的q〜At曲线.并对热流密度可控及壁面
温度可控的两种情形,分别说明限制热流密度小于临界热流密度
及温差小于临界温差的意义.
答：用电加热时,加热方式是限制外表的热流密度.而采用蒸汽加热那么是壁面温度可控的情形.由大容器饱和沸腾曲线可知,当加热功率q稍超过qMax值时,工况将沿qMax虚线跳至稳定膜态
沸腾曲线,使壁面温度飞升,导致设备烧毁.
25.用铝质水壶烧开水时,尽管炉火很旺,但水壶仍安然无恙. 而一旦壶内的水烧干后壶很快就被烧坏.试应用传热学的理论分析这一现象.
答：入气V入水,h气Vh水；水烧干后,加热空气,所形成的气膜热阻较大,不利于传热,壶内温度剧升,导致壶很快就被破坏.
26.从传热外表的结构而言,强化凝结换热的根本思想是什么？
强化沸腾换热的根本思想是什么？
答：强化凝结换热的根本思想：蒸汽膜状凝结时,热阻取决于通过液膜层的导热.因此尽量减薄液膜层的厚度是强化膜状凝结的根本手段.为此,可以从两个方面着手.第一是减薄蒸汽凝结时直接粘滞在固体外表上的液膜；其次是及时地将传热外表上产生的凝结液体排走,不使其积存在传热外表上而进一步使液膜加厚.
强化沸腾换热的根本思想：无论是大容器沸腾还是管内沸腾,在加热面上产生气泡是其共同的特点,也是使对流传热比无相变的传热强烈的最根本原因.因此,强化沸腾传热的根本原那么是尽量增加加热面上的汽化核心,即产生气泡的地点.
在你学过的对流传热中,外表传热系数计算式中显含传热温差的有哪几种传热方式,不显含传热温差的有哪几种传热方式, 不显含传热温差是否意味着与温差没有任何关系？1)计算外表传热系数中显含传热温差的计算公式①大容器饱和液体膜态沸腾外表传热系数计算式
「n / gr p (p - p 兀］%
h =0.621n v d(t -1)v
v 坟s
②大容器饱和液体核态沸腾外表传热系数计算式
0.33
二
J 1 1J rg 九3P 2
h = L 13[nT^. ⑤对流换热微分方程式
7 九d t
③水平圆管及球外表的凝结传热外表传热系数
h H = 0.729 rg 九 3 P 3 H d (t -1 ) l s W , 14
rg MP 31/4
= 0.826 H dG -t )
」
④努塞尔的蒸汽层流膜状凝结分析解及实验修正解
rg 九3
p
314
4H Q L )x l s W h = 0.943
rg 九 3 P 3 H l C - 1t ) 14 14
h ——
N cy
y—0
2〕计算外表传热系数中不显含传热温差的计算公式
①湍流膜状凝结平均外表传热系数计算式
②有限空间自然对流换热的外表传热系数计算公式
③大空间自然对流传热的外表传热系数计算公式
④外部强制对流传热的外表传热系数计算公式
⑤内部强制对流的外表传热系数计算公式
⑥流体外掠平板传热层流分析解
在你学过的对流传热中,外表传热系数计算式中显含传热温差的有哪几种传热方式,不显含传热温差的有哪几种传热方式, 不显含传热温差是否意味着与温差没有任何关系？
答：〔1〕计算外表传热系数中显含传热温差的计算公式
①大容器饱和液体膜态沸腾外表传热系数计算式
②大容器饱和液体核态沸腾外表传热系数计算式
③水平圆管及球外表的凝结传热外表传热系数
④努塞尔的蒸汽层流膜状凝结分析解及实验修正解
⑤对流换热微分方程式
(2)计算外表传热系数中不显含传热温差的计算公式
①湍流膜状凝结平均外表传热系数计算式
②有限空间自然对流换热的外表传热系数计算公式
③大空间自然对流传热的外表传热系数计算公式
④外部强制对流传热的外表传热系数计算公式
⑤内部强制对流的外表传热系数计算公式
⑥流体外掠平板传热层流分析解
虽然不显含传热温差,但传热温差在计算Re及查取物性参数时在计算特征温度中已表达.
命题不正确.
29.对流换热问题完整的数学描写应包括什么内容？既然对大多数实际对流换热问题尚无法求得其精确解,那么建立对流换热问题的数学描写有什么意义？
答：对流换热微分方程组
连续性方程
动量方程卬一5方程)
能量方程
由于在描述流动的能量方程中,对流项含有流体速度,即获得流体的温度场,必须先获得其速度场,“流动与换热密不可分〞. 因此外表传热系数必须与流体速度场有关.
30 .对流换热微分方程式与导热问题的第三类边界条件式有什么 区别？
答：对流换热微分方程式中人为流体的导热系数,d t/d y 为近壁 流体的温度梯度,而在第三类边界条件下的人为导热固体的导热 系数.傅里叶定律中的况/d n 为近壁固体的温度梯度.
31 .试写出Nu 、Pr 、Gr 、Re 数的数学表达式,并说明各数的物理 意义.
gl 3 P A t
G = r 一
表示浮升力与黏性力之比的一种度量.
壁面上流体的无量纲温度梯度〔注意人为流体的导热系数〕. 动量扩散厚度与热量扩散厚度之比的一种度量.
惯性力与黏性力之比的一种度量.
32 .其它条件相同时,同一根管子横向冲刷与纵向冲刷相比,那 个的外表传热系数大,为什么？
Nu = hl
Re 二 ul
答：横向冲刷时的外表传热系数大.由于纵向冲刷时相当于外掠平板的流动,热边界层较厚,而横向冲刷时热边界层薄且存在由于边界层别离而产生的旋涡,增加了流体扰动,因而换热强.
33.冬天,在相同的室外温度条件下,为什么骑摩托车比步行时感到更冷些,一般要戴皮手套和护膝？
答：由于强制对流换热强度与流体壁面之间的相对速度有关,相对速度越大,对流换热越强.与步行相比,骑摩托车时相对速度较大,对流换热强度大些,因此人体会散失较多的热量从而感到更冷些.而皮手套和护膝,由于透气性差、导热系数小,增加了传热热阻,降低了散热量,从而起到保护作用.
34.在气温为10°C的房间内用细绳吊一段直径均匀的圆柱冰块,过一段时间后,冰块的形状会发生哪些变化？冰块会在绳上完全融化吗？
答：由题意知,该冰柱的融化过程相当于竖圆柱的自然对流换热. 根据竖壁自然对流换热的机理,由于冰柱壁面温度低于周围空气温度,故流体贴壁向下流动,边界层上部薄而下部厚.局部对流换热系数上部较大而下部较小,因此,虽然冰柱整个会慢慢融化, 但是上部融化较快,其形状会变得上部细、下部粗,不等在绳上全部融化完就会掉在地上.
35.为什么火灾时会有大风？
答：冬天升暖炉子,有时候我们能听到炉子里“呼呼〞地唱歌.
难道炉子真的能唱歌吗？不是的,是炉子里的热空气跑出外面去了,
冷空气跑进去填它的空缺.冷热空气这样一走动,就产生了风,炉子里的“呼呼〞声,就是风声.炉子这样唱歌,正是它烧得很旺盛的时候.所谓火灾的情形跟升炉子差不多.大火时热空气向天空冲去,冷空气就来补它的位置,冷热空气一流动,风就发生了.火越旺,风越大；反过来说,风越大,火就越旺,正像常常说的：“火仗风势；风助火威〞.
36.为什么耳朵大的人更容易生冻疮？
答：耳朵的散热可以看成是一维肋片导热,耳朵大的人沿肋高的方向热阻较小,那么耳朵温度更容易接近周围环境的温度.
37.同样是25℃的房子为什么夏天可以穿衬衫,而冬天却要穿毛衣？答：墙壁内侧温度夏天比冬天高,所以人体向外辐射的能量冬天比夏天多,而自然对流和辐射换热处于同一数量级.
38.在相同流速、相同温度的条件下.流体在管内流动和在管外横向冲刷时,哪一种情形的外表传热系数h大？试应用传热学原理说明之.
答：h横＞八管,由于流体在管外横向绕流时,由于要产生边界层的脱离外表的现象,使得扰动大大增加,热量传递速度加快.。