2006年上海交通大学传热学试题

2、笛卡儿坐标系中三维非稳态导热微分方程的一般形式如下：（6 分）
ρcp
∂t ∂τ
=
∂ ∂x
⎛ ⎜⎝
λ
∂t ∂x
⎞ ⎟⎠
+
∂ ∂y
⎛ ⎜ ⎝
λ
∂t ∂y
⎞ ⎟ ⎠
+
∂ ∂z
⎛ ⎜⎝
λ
∂t ∂z
⎞ ⎟⎠
+
Φ&
(1) 简述上面方程中各项的物理意义；
(2) 将其简化为一维、稳态、无内热源、常物性的导热微分方程式。
Pr 0.716 0.712 0.707 0.705 0.703
五、如下图所示的盒状加热炉，正方形的上下表面为相同材料的灰体（发射率见下表）、边长为 1m，相距 0.5m。上下表面温度分别为 1000°C 和 500 °C，侧面为重辐射面，经计算，上下表面的角系数 X1,2 = 0.415 。 (18 分)
整流罩 球头
热，湿空气和外侧空气的物性相同，如表所示。湿空气自然对流实验
关联式为 Nu = 0.1× (Gr Pr)1 3 ，球头的导热可处理为无限大平板。外部 绝热层 空气的定性温度取 −20°C ，外掠球头的实验关联式为
t∞ = −20°C u = 15m s
湿空气 t f = 20°C
A 卷总2页第 1 页
（1）计算冷热流体的换热量 Φ ？ （2）计算总传热系数 k ？ （3）确定该换热器所需要的最小换热面积 Ao（以管外侧为基准）？
A 卷总2页第 2 页
tf h (m,n+1)
问其过余温度 t − t∞ 降到过余温度 t0 − t∞ 的一半时，所需的时间？
(m-1,n)
(m+1,n)
三、右图给出了二维、稳态、常物性条件下导热问题的部分离散网格，
Δx = Δy ，环境温度 t f ，对流换热系数 h，导热系数λ，均匀分布的内热 Δy
源为 Φ& 。参考图中给定符号，推导节点（m，n）的离散方程。（10 分）
六、 一个套管式换热器，热工质在管内流动，冷却水在管外流动。工质的进出口温度分别为：th′ = 80°C ， th′′ = 55°C ，质量流率为 qmh = 1800 kg min ，比热 ch = 2.0 kJ (kg ⋅ K ) ；冷却水的进口温度为 tc′ = 20°C ，其质 量流率 qmc = 1500 kg min ，比热 cc = 4.18 kJ (kg ⋅ K ) ；金属光管内径 di = 50 mm ，壁厚为 δ = 2 mm ，导热系 数 为 45 W (m ⋅ K ) 。 管 内 工 质 的 对 流 换 热 系 数 hi = 800 W (m2 ⋅ K ) ， 水 侧 的 对 流 换 热 系 数 ho = 2000 W (m2 ⋅ K ) 。（15 分）
Δx
(m,n) (m,n-1)
四、(15 分)如图，整流罩内侧湿空气温度保持 20°C 不变、露点 10°C。 外 侧 气 体 温 度 为 -20°C ， 速 度 u = 15m s 。 球 头 部 分 （ 导 热 系 数
λ = 0.3W (m ⋅ K ) ）的外径为 d = 1600mm ,厚度为 δ = 5mm 。已经敷设 绝热层（绝热材料的导热系数 λ = 0.03W (m ⋅ K ) ）的部分可以认为绝
(2) 选择一种前面提出的隔热方案，进行计算，用结果证 明该方案的有效性，并给出该方案满足不结露的具体 条件。
t[°C] -20 -10 0 10 20
气体物性
Hale Waihona Puke Baidu
λ[W/m⋅°C] 0.0228 0.0236 0.0244 0.0251 0.0259
ν×106[m2/s] 11.61 12.43 13.28 14.16 15.06
我承诺，我将严 格遵守考试纪律。
承诺人：
题号
得分 批阅人(流水阅 卷教师签名处)
Nu
=
0.3
+
0.62 Re1 2 Pr1 3
⎡⎣1 +
(0.4
Pr )2
3 ⎤1 4 ⎦
⎡ ⎢1 + ⎢⎣
⎛ ⎜⎝
Re 282000
⎞5 ⎟⎠
8
⎤4 ⎥ ⎥⎦
5
(1) 为使湿空气不发生结露现象，请给出两种以上可能的 隔热方案（针对球头）？并说明隔热原理；
上 海 交 通 大 学 试 卷（ A 卷）
（ 2006 至 2007 学年 第__1__学期 ）
班级号_______________________ 学号______________ 课程名称 传热传质学
姓名 成绩
一、简答（30 分）
1、（1）热量传递的三种基本方式及其热量计算的基本方程式是什么？（6 分）， (2) 下落的雨滴和其周围暖空气之间的热量传递属于哪种方式？（1 分） (3) 灯泡内灯丝与灯泡玻璃之间的热量传递属于哪种方式？（1 分） (4) 房屋墙壁内表面与外表面之间的热量传递属于哪种方式？（1 分）
平衡状态，后通过电流 I ，已知金属球与环境的表面传热系数为 h ，忽略金属球表面热辐射。（下列问题均
无需计算，只列出待求量的计算方程）(12 分)
（1）试导出通电流期间金属球温度随时间变化的规律
（2）写出处于新的热平衡状态的条件并确定热平衡温度 t0 （3）达到热平衡温度 t0 后，停止通电，如果球体的密度为 ρ ，热容为 c ，
1000 °C
0.5 m
500 °C
1.0 m
T (°C) 500 600 700 800 900
1000
ε 0.1 0.105 0.11 0.115 0.12 0.125
(1) 将四个侧面看作一个整体表面（用下角标“3”表示），则该加热炉可以被看成由三个表面组成的封闭 腔，画出等效网络图；
(2) 计算角系数 X1,3 、 X 2,3 、 X 3,2 ； (3) 计算上下表面的换热量。
3、 画出饱和水在水平加热面上的沸腾曲线，并简述随着壁面过热度的增加，沸腾换热表面传热系数的变 化趋势。（6 分）
4、简述黑体、灰体和漫射表面的定义及物理意义？（6 分） 5、强化换热的原则是什么？（3 分）
二、一直径为 d 的金属球体（忽略其导热热阻），单位体积的电阻为 R ，初始时与温度为 t∞ 的环境处于热