中南大学传热学试题2011-A卷 附答案

传热学（机械 2008级）试题参考答案及评分标准

2010-- 2011 时间 120分钟 传热学 课程 32 学时 2 学分 考试形式： 开卷

专业年级：机械 08级总分 100分，占总评成绩 70 %

注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上

一、填空（每空 1分，总计 20分）

1. 传热的三种基本方式有 热传导 、 热辐射 、 热对流 。

2. 某一传热过程的热流密度q＝500W/m，冷、热流体间的温差为10℃，其传热系数为

2。

2

3. 导热基本定律是 傅立叶 定律，可用公式表述为q tn。 4. 肋效率的定义为 肋片实际散热量与肋片最大可能散热量之比 。

5. 已知某一导热平壁的两侧壁面温差是30℃，材料的导热系数是22W／(m.K)，通过的热流

密度是300W／m2，则该平壁的壁厚是 2.2m

6. （选择填空）温度边界层越 厚 （薄、厚）对流传热系数越小，强化传热应使温度边界

层越 薄 （薄、厚）

7. 格拉晓夫准则的物理意义 流体流动时浮升力与粘滞力之比的无量纲量 ；表达式Gr

＝g v tlc32。普朗特准则Pr的数学表达式为 ，它表征了 动量扩散能力与热扩散能力 的相对大小。

8. 黑体是指 反射率 为0的物体，白体是指 吸收率 为0的物体。

9. 一个由两个表面所构成的封闭系统中，若已知两表面棉结A1=0.5A2,角系数X1,2=0.6，

则X2,1= 0.3 。

10. 角系数具有 相对性 、 完整性 、 可加性 的特性。

二、简答题（20分）

1.储气筒里的空气温度，用一支插入装油的套管中的玻璃水银温度计来测量。如图1所示。由于温度计的感温泡与套管顶部直接接触，可以认为温度计的读数t就是套管顶端的壁面温度tH。已知储气筒与温度计套管连接处的温度t0，套管高H，壁厚 管材的导热系数为 ，套管外表面传热系数为h，环境温度为tf。试用肋片导热理论说明：为减少测温误差,应选用

铜还是钢作为套管材料?为什么？（已知不锈钢的导热系数小于铜） （8分）

答案：温度计套管可以看成是截面为 d 的一等截面直肋（d为套管直径）。而所谓的测温误差，就是套管顶端的过余温度(由一维等截面肋片导热理论):

t tf tH

tf t0ch(mH)

，其中mH

，欲使测量误差Δt下降，必须减小λ，即导热系数小的材料做温度计套管。因此，套管材料应选用不锈钢。

2.试解释材料的导热系数与导温系数之间有什么区别和联系。

答案：从概念、物理意义、表达式方面加以阐述，如从表达式看，导温系数与导热系数成正比关系(a=λ/cρ)，但导温系数不但与材料的导热系数有关，还与材料的热容量(或储热能力)也有关；从物理意义看，导热系数表征材料导热能力的强弱，导温系数表征材料传播温度变化的能力的大小，两者都是物性参数。

3.试比较强迫对流横掠管束传热中管束叉排与顺排的优缺点。 （4分）

答案：(1)管束叉排使流体在弯曲的通道中流动，流体扰动剧烈，对流换热系数较大，同时流动阻力也较大；(2)顺排管束中流体在较为平直的通道中流动，扰动较弱，对流换热系数小于叉排管束，其流阻也较小；(3)顺排管束由于通道平直比叉排管束容易清洗。

4. 什么叫黑体、灰体和白体?它们与黑色物体、灰色物体、白色物体有什么区别? （4分）

答案提示：可以从黑体、白体、灰体的定义和有关辐射定律来阐述。根据黑体、白体、灰体的定义可以看出，这些概念都是以热辐射为前提的。灰色、黑色、白色是针对可见光而言的。所谓黑体、白体、灰体并不是指可见光下物体的颜色，

三、计算题：（60分）

1．在如图2所示的平板导热系数测定装置中，试件厚度δ远小于直径d。由于安装制造不好，试件与冷、热表面之间存在着一厚度为Δ=0.1mm的空气隙。设热表面温度t1=180℃，冷表面温度t2=30℃，空气隙的导热系数可分别按t1、

图

2

t2查取。试计算空气隙的存在给导热系数的测定带来的误差。通过空气隙的辐射换热可以忽略不计。(Φ=58.2w d=120mm) （15分）

解：不考虑空气隙时侧得的导热系数记为λ0，则

150

A t 0.02915 0 58.2 5分

已知空气隙的平均厚度Δ1、Δ2均为0.1mm，并设导热系数分别为λ1、λ2，则试件实际的导热系数应满足：

d2

1 1A t 1 2 5分 0

即：

1 1

0 1 2 2分

0.00010.0001

0 1 20.02646 0.03745

21.92%

0.029150.02915

所以：

2、一根直径为170mm的长轴，初始温度为17℃，后被置于炉温为850℃的环境中。轴材料的导热系数为30W

1 1

0

3分

m K)

，热扩散率为6.2 10 6m

2

，加热过程中的表面传热系数为141W

(m2 K)

，试用

图表法确定为使长轴中心温度达到800℃所需的时间以及该时刻钢轴表面的温度。 （15分） 解：

Bi

hR

141 0.085

0.4 2分

30

m850 800 0.060 2分 0850 17

由附录2图1查得：

Fo

所以：

R2

4 3分

Fo

R2

4661s 2分

由

r 1以及Bi 4， 2分 R

t 850 1

w 0.83 2分 m800 850

查附录2图2得： 所以：

tw 808.5℃ 2分

3、在图3所示的有内热源的二维稳态导热区域中，一个界面绝热，一个界面等温温度为t0（含节点4），其余两个界面与温度为tf的流体对流换热， 、h均匀，内热源强

tf

是列出节点1、2、5、6、9、10的离散方程式。

度为 Δx=Δy

（15分）

图3

t5 t1 x t2 t1 y 11

x y yh t1 tf 0

y 2 x 2 42解：节点1：； 2分

t3 t2 y t6 t2t1 t2 y 1

x x y 0

x 2 x 2 y2节点2：； 2分

t1 t5 y t9 t5 x t6 t51

y x y yh t5 tf 0

y2 y2 x2 节点5：； 2分

t2 t6t tt tt t

x 76 y

105 x 56 y x y 0 y x y x节点6：； 2分

t5 t9 x t10 t9 y 1 x y

x y h t9 tf 0

y 2 x 2 42 2节点9：； 2分 t9 t10 y t11 t10 y t6 t101

x x y xh h10 tf 0

x2 x2 y2 节点10：； 2分

当 x y以上诸式可简化为：

h y 12 h y t5 t2 t 22 t y 0 f 1

2 节点1：； 0.5分

2t6 t1 t3 4t2 y2 0

节点2：； 0.5分

h y h y 2 2t6 t1 t9 2 t 22 t y f 5 0

节点5： 0.5分

t7 t10 t5 t7 4t6 y2 0

节点6：； 0.5分 12 h y h y

t5 t10 2 t 21 t y 0f9 2 节点9： 0.5分

h y h y 2 2t6 t9 t11 2 t 22 t y f 10 0

节点10： 0.5分

注： 可以不经过上述过程直接写出方程；写对一个计2.5分，写错1个扣2.5分。

4.初温为30℃的水，以0.857kg/s的流量流经一套管式换热器的环形空间，水蒸气在该环形空间的内管中凝结，使得内管外壁温维持在100℃。换热器外壳绝热良好。环形夹层内管外径为40mm，外管内径为60mm。试确定把水加热到50℃时的套管长度，以及管子出口界面处的局部热流密度。

解：定性温度

tf

30 50

402℃， 2分

0.635W/ m K , 653.3 10 6kg/ m s ,cp 4147J/ kg K ,Pr 4.31,

查得：

dc D d 60 40 20mm

2分

Re

dc4m4 0.857 0.02 167022222 6

D d 3.1416 0.06 0.04 653.3 10 2分

w 282.5 10 6kg/ m s ， 2分

流体被加热，按式（5-56），有：

Nuf 0,027 Re0.8 Pr1/3 f/ w 115.1

0.11

0.027 167020.8 4.311/3 653.3/282.5

0.11

2分

h

115.1 0.635

3654.4W/m2 K

0.02 1分

t" t' Ah tw tf dlh tw tf cmp由热平衡式，得：

l

dht

t" t'cpm

w

tf

4174 0.857 50 30

3.1416 0.04 3654.4 100 30 2.2m。

2分

管子出口处局部热流密度为

q h t 3654.4 100 50 183kW/m2 2分

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