传热学（机械 2008级）试题参考答案及评分标准
2010-- 2011学年下学期 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
50W/(m2.K) 。
2
3. 导热基本定律是 傅立叶 定律，可用公式表述为q?????t?n。 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?tlc3?2。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?hPhH?H，欲使测量误差Δt下降，必须减小λ，即导热?A??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??4?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?20.003780.002670.02646?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?6m2s，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
??FoR2??4661s 2分
由
r?1以及Bi?4， 2分 Rt?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绝热1h5926Δx3Δy48t071110tf12y度为?是列出节点1、2、5、6、9、10的离散方程式。 hΔx=Δy（15分）
x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??115.10.11?0.027?167020.8?4.311/3?653.3/282.5?0.112分
h?115.1?0.635?3654.4W/m2?K0.02 1分
??\'????Ah?tw?tf???dlh?tw?tf?，得： cmt?tp由热平衡式
?l??dh?t
?t\?t'cpmw?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
