传热学简答题教学资料

传热学简答题

1. 热量传递的三种基本方式？机理？自然界是否存在单一的热量传递方式？举例

答：三种方式为热传导，热辐射，热对流。热传导是物体各部分之间不发生相对位移，依靠分子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递。热对流是由于流体的宏观运动而引起的 流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热辐射是物体通过由于热的原因而产生的电磁波来传递能量的方式。存在，太阳与地球间的热辐射，固体的热 量由热的一端流向冷的一端。

2. 导热系数及不同相态的材料导热系数差异？

■,

答：

q ，一般来说，导热系数：对于不同物质，金属固体〉非金属固体〉液体〉气体；对于同种物质，固态>液态〉气态。它与物质的种类及热力学状态（温度、压力）等有 ""P —n x

关。

3. 导热、对流、辐射换热之间的区别？

答：导热与辐射中物体各部分是不发生相对位移的，而对流中流体各部分发生相对位移。导热与对流均需要介质才能传递热量且无能量形式的转换，而辐射则不需要介质且有伴随着能量形 式的转换。

4. 什么是温度场？什么是温度梯度？

答：各个时刻物体的各点温度所组成的集合称为温度场。温度梯度是温度变化的速度与方向，它是温度变化最剧烈的方向。

5. 等温线的概念与性质？

答：温度场在同一瞬间相同温度的各点连成的线叫等温线。物体中的任一条等温线要么形成一个封闭的曲线，要么终止在物体表面上，它不会与另一条等温线相交。当等温线图上每两条相 邻等温线的温度间隔相等时，等温线的疏密可直观的反映出不同区域导热热流密度的相对大小，等温线越密，热流密度越大。

6. 导热微分方程及其理论依据？

7.

定解条件及常见边界条件?

1 ）初始条件：给出初始时刻的温度分布 2）边界条件：给出导热物体边界上的温度或换热情况。第一类边界条件：规定了边

界上的温度值。第二类边界条件：规定了边界上的热流密度值。第三类边界条件：规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数 h 及流体温度tf 。对稳态问题只需边界条件。

8. 肋片导热的特点及加肋的原因？

答：特点：肋片伸展的方向上有表面的对流传热及辐射传热，因而肋片中沿导热热流方向上热流量是不断变化的。原因：采用肋片可有效的增加换热面积，增加对流传热量。

9. 非稳态导热的基本概念及其区别于稳态导热的基本特点？

答：物体的温度随时间而变化的导热过程称为非稳态导热。区别：非稳态导热过程中在热量传递方向上不同位置处的导热量是不同的。

10. 什么叫集中参数法？实质？使用时应注意什么问题？

答：忽略物体内部导热热阻的简化分析方法称为集中参数法。实质是固体内部的导热热阻远小于其表面的换热热阻时，任何时刻固体内部的温度都趋于一致，以致于可以认为整个固体在同 一瞬间均处于同一温度下。应注意只适用于当

Bi=hl ZX<0.1（平板）、0.05 （圆柱）、0.033 （球）时。

11. 试说明无限大平板的概念并举例子，可以按无限大平板来处理的非稳态导热问题？

答：从X=0的界面开始可以向正向以及上、下方向无限延伸，而在每一个与

X 坐标垂直的截面上物体的温度都相等的物体。例子：一块几何上为有限厚度的平板，起初具有均匀的温度，然

后其一侧表面突然受到热扰动。当扰动的影响还局限在表面附近而尚未深入到平板内部去时，就可把该平板视为

一“半无限大物体"。

12. 对流换热定义？对流换热系数是怎样定义出来的？影响 h 的因素？研究 h 的常用方法？

答：流体流过固体表面时流体与固体间的热量交换称为对流传热。

h ______ 。影响因素：（1）流体流动的动因（2）有无相变（3）流动状态（4）换热表面的几何因素（5）流体的

A? t m

物理性质。研究方法：（1）分析法（2）实验法（3）比拟法（4）数值法。

13.

傅里叶定律中的负号起什么作用？牛顿冷却公式是如何解决的？ q h （t s t w ）与q h （t w t s ）两式各自描述什么对流换热？

答：负号说明热量传递方向与温度升高方向相反。牛顿冷却公式是通过定义温差△

t 的概念来解决的。△ t 恒大于0.。q h （t s t w ）是凝结换热，而 q h （t w t s ）则是计算流体沸腾

时的换热量。其中

t s 为饱和流体温度， t w 为壁面温度。

答：

pc 二 （丄）（-）（-）

x x y y z z

增量。

，依据为能量守恒定律，即导入微元体的总热流量 +微元体内热源的生成热埠出微元体的总热流量 +微元体热力学能的

答：定解条件：使微分方程获得某一特定问题的解的附加条件。

14. 流体流动边界层及其厚度和热边界层及其厚度的定义？边界层理论的要点？

答：流动边界层：当流体流过固体壁面时，由于流体黏性的作用使得在固体壁面附近存在速度发生剧烈变化的薄层。达到主流速度的 附近流体温度发生剧烈变化的薄层。一般以过余温度为来流过余温度的 99%处定义为其厚度6 t 。要点：1.边界层厚度远小于特征长度；

2.边界层到过渡区，再到湍流，湍流分为湍流核心区,

层流底层；3.把流场分为主流区与边界层区；

4主流区列出惯性流体微分方程，边界层区列粘性流体微分方程。

15. 相似原理的主要内容？怎么判断两物理现象相似？相似原理的用途？通过相似原理对于强制对流换热，自然对流换热，非稳态无限大平板问题可以表示成什么无因次量的函数关系？

答：主要内容：同名相似特征数相等；同一类现象中相似特征数的数量及其间的关系；两个同类物理现象相似的充要条件。判断：同名的已定特征数相等;

得出的结果可以上升到一个代表整个相似组的地位；③实验里只需测量准则数，避免食盐的盲目性；④可以知道实验的安排及实验数据的整理

18. 试叙述流体横掠单管的流动与换热的特征。

答：流体横掠单管流动除了具有边界层特征外，还要发生绕流脱体，而产生回流、漩涡和涡束，换热关联式

Nu CRe n Pr 13，定性温度为（t w t ）。

19. 流体平行流过平板换热，流体管内流动换热以及流体绕流圆柱表面换热的流动与换热特点。

1

答：外掠平板：hx

0 332_（Rex ）'2 （Pr ）1"；管内流动： Nu 0.023 Re °8

Pr n ;（加热流体时，n=o.4 ；冷却流体时，n=o.3）绕流圆柱： Nu C Re

Pr? ?（此处c 、n 需

x

查表）。

20. 格拉晓夫数 Gr 的表达式是什么？物理意义？用在什么情况的换热？

答：

Gr

gl

_」，流体体胀系数

v =1/Tm

t （t w t ）。是浮升力与粘滞力比值的一种度量，

Gr 数增大表明浮升力作用相对增大。用于自然对流换热。

v

21. 努塞尔建立竖板层流膜状凝结换热模型时做了许多假设，在实际的膜状凝结中，因不满足这些假设因素会对凝结过程带来何种影响？

答（1）蒸汽流速：蒸汽流动方向与液膜向下流动同向时，

h 增大；反之，则 h 减小；（2）液膜过冷度：一定程度下，过冷蒸气可以强化传热（ 3）非常物性，实际上物性变化不大，分析结

果无大影响。（4）惯性力，与v 比很小，影响不大。（5）密度影响不大；（6）波动：影响很大，对系数进行修正。

22. 什么是膜状凝结？什么是珠状凝结？珠状凝结与膜状凝结谁好？为什么？竖板壁面的膜状凝结换热热性能与竖板高度有何关系？

答：凝结液体能很好地润湿壁面时，会在壁面上铺展成膜，这种凝结形式称为膜状凝结。当凝结液体不能很好地润湿壁面时，凝结液体在壁面上形成一个个的小液珠，称为珠状凝结。珠状 凝结比较好，因为其表面系数远大于膜状凝结，高度越高，

hx 越小，换热性能越差。

23. 大容器沸腾换热过程有哪几个主要的区域，并指出临界热流密度的工程意义。

答：自然对流区、核态沸腾区、过渡沸腾区、膜态沸腾区。临界热流密度意义：对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备以及冷却水加热的核反应堆，一旦热流密度超过临界热流密 度，工况将跳至稳定膜态沸腾线，△ t 将猛升至近1000C ，可能导致设备烧毁。

24. 凝结和沸腾换热的强化主要有哪些措施？

答：膜状凝结：减薄液膜厚度与及时将传热表面上产生的凝液排走；沸腾换热：在加热表面上尽量增加汽化核心，即产生气泡的地点（表面上的狭缝、空穴、凹坑）。

25. 什么是定向辐射强度？满足兰贝特定律的辐射表面是什么样的表面？试列举几种这样的表面。

答：从黑体单位可见面积发射出去的落到空间任意方向的单位立体角中的能量，称为定向黑体辐射强度。兰贝特定律（余弦定律）：黑体单位面积辐射出去的能量在空间的不同方向分布是 不均匀的，按空间纬度角角e 的余弦规律变化：在垂直于该表面的方向最大，而与表面平行的方向为零。黑体表面，漫射物体表面。

26. 什么是角系数？它有些什么性质？请写出其表达式

n

答：表面1发出的辐射能中落到表面 2的百分数称为表面1对表面2的角系数，记为 X 1,2。相对性：

AX 12

A,X 2 1；完整性： X1 . 1 ；可加性： X

i 1

'

27. 辐射换热中的遮热板的效应是什么？怎么强化或削弱辐射换热?

答：是指在两个辐射传热表面之间插入一薄板用以削弱辐射传热的效应。

1、控制表面热阻；

2、控制表面的空间热阻。

28. 为了减少热电偶测量烟气温度的误差，常常在热电偶外面加上遮热罩，试解释遮热罩减少测温误差的原因，以及对遮热罩的要求。

答：①如果使用裸露的热电偶测量高温气流温度

，高温气流以对流方式把热量传给热电偶 ，同时热电偶又以辐射方式把热量传给容器壁。当热电偶的对流传热量等于其辐射散热量时，此时的温

度即为热电偶的指示温度。使用遮热罩后热电偶在遮热罩保护下辐射散热减少，而气体与热电偶间的对流传热增强。此时指示温度可更接近于气体的真实温度，使测量误差减小。②为使遮

99%处距离y 为流动边界层厚度6。热边界层：固体表面 单值性条件相似（初始条件、边

界条件、几何条件、物理条件）。管内强制对流:

Nu=f ( Re, Pr )，自然对流： Nu=f (Gr , Pr )，非稳态:

①减少实验次数，得出一个通用性的规律或结果；②

16. 在非稳态导热问题中的 Bi 数和在对流换热过程中的 Nu 数分别是由什么物理量组成的？它们的定义式是什么？并指出它们之间的差别是什么？

答:

Bi 匕1 ? N u

hd

； Bi 是固体内部导热热阻

与界面上换热热阻

丄之比（入为固体导热系数）。

Nu 是流体的Re ul 与

h

V

Pr

V 的函数（入为流体的导热系数） a

17. 写出流体的管槽内湍流强制对流换热的迪图斯一贝尔特

D-B 公式，并说明为什么在中等温差以上时必须加以修正?

答:

Nu 0 023Re 08 Pr n ，加热流体时，n=°.4 ；冷却流体时，n=°.3。因为管子截面上温度是不均匀的,

温度影响粘度，粘度影响

Pr ,因而引起Nu 的变化。

X

1,2 i

i 1

热罩能对热电偶有效地祈祷屏蔽作用；热电偶离开遮热罩端口距离s应大于遮热罩内径d。

29. 影响强制对流换热的主因：①流体流动的起因；②流体有无相变；③流体的流动状态；④换热表面的几何因素；⑤流体的物理性质。 30. 集总参数法？条件？物理意义？：①当 固体内部的导热热阻 小于其表面的换热热阻时，固体内部的温度趋于一致，近似认为固体内部的温度

关，这种忽略物体内部导热热阻的简化方法称为集总参数法。②

Bi < 0.01 :③固体内部导热热阻与界面上换热热阻之比

31. 什么叫临界热绝缘直径？用什么方式可以求得热绝缘直径？怎么求？

32. 什么叫间壁式换热器？在换热量相等，传热系数相等、进出口温差相同的情况下，采用顺流或逆流换热器，哪种所需的换热面积小?

33. 空气在圆管处于紊流充分发展的对流换热，若保持管内流速及其他条件不变，将圆管的直径减少一半，换热系数如何变化？总热量如何变化?

n

hi,u 上_

d 2 4

试解释为什么用测温套管测流体的温度时会存在测温误差？用什么办法可以减少测温误差?

外表面的对流传热，从套管外表面储热管管身的辐射传热。稳态时，套管从压缩气体中获得的热流量正好等于套管向管身的导热及辐射传热之和。因而套管的壁面液体必然低于压缩空气的 温度，即存在测温误差。②选用导热系数小的材料做套管，尽量增加套管高度并减小避厚，强化套管与流体间的换热，加上保温材料。

38.膜状凝结？液膜厚度对于膜状凝结换热效果的影响？竖板壁面膜状凝结换热性能与高度关系？①凝结液体能很好得润湿壁面，在壁面上铺展成膜的凝结形式称为膜状凝结；②液膜越厚,

热阻越大，换热能力越差，反之亦然；③由

h=0.943[(gr p 2lX3)/( n (t1-t2))] ?可知，成反比。

Pr ;②因为Pr=v / a ,反映了流体中动量扩散与热扩散动量的能力。动量扩散能力越大，物性的影响传递得越远，因

而流动边界层越厚。而热扩散率反映了材料传递温度变化能力的大小，越大则材料的传热能力越好，因而边界层越薄。所以

Pr 反映了(速度与温度)边界层厚度的相对大小。

40. 固体导热，边界条件为第三类，式为 -hdt/dy|w=h(tw-tf) ，与对流的-hdt/dy|y=O=h(tw-tf) 是否相同？为什么？①不相同；②固体中入为固体的导热系数，

h 为已知数，dt/dy|w 为固体侧

壁面处的温度梯度；对流换热中，入为流体的导热系数， h 为未知数，入dt/dy|y=0 为流体侧壁面处的温度梯度。

41. 常物性无内热多层平壁稳态导热中，若某一层的温度变化率最大，则此层的热阻怎样？为什么？①热阻最大；②在常物性无内热源的条件下，通过各层的热流密度 q 都相等，而某层的

dtm/dxm 最大，则入最小，导热系数最小，则此层的热阻最大

42. Bi 和Fi 的定义式，物理意义？① Bi=hl/ —固体内部的导热热阻与固体表面换热热阻之比；② Fi=a T l 2,表明传热现象的不稳定程度

t 仅是时间T 的一元函数而与空间坐标无

答:

d o

2 ( do 称为临界热绝缘直径，记为

d cr )，用右式求得。大于 d cr 时，d f, R f;小于d cr 时，d f, R j( R 为散热量)

h o

答：冷、热流体由壁面间隔开来而分别位于壁面的两侧。因为

kA t ，由于t 逆 t 顺，所以

A 逆 A 顺。

答：

Nu 0.023Re 08Pr n

0.8

0.023 ul

34. 有一台油-水换热器，水与油分别在管内外作强迫对流换热,

在改变水速(

u 水)和改变油速(u 油)时k 的变化如图，设导热热阻恒定，如要加肋片,

应加在水侧还是油侧

,为什么？

答: 油侧，由图知，

1

k

I ------------------- 1

改变水侧的热阻对 k 改变不大，改变油侧的热阻对 k 变化明显。故主要热阻在油侧,

肋片应加在油侧。

35. 在固体导热问题中，某一边界为第三边界条件，其表达可写为

dt | .)，它与对流换热问题中的换热方程

dy l w h(t

w 〔 f 丿

轧0

dy h(t w

是否相同？为什么？

t

f

丿

答：不相同，第三类边界条件

dt

h(t t )中，t w 为未知数，入为固体壁面导热系数；对流换热方程

h(t w t f )

中，h 为未知数，-入为流体的导热系数。

36. 叉、顺排管优缺点：①叉排：优：叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲管道中流动，流动扰动剧烈，换热比顺排强。缺点：管束阻力损失大，不易清洗。

②顺排：优：管束阻力较

小, 易于清洗。缺：换热较差

37.

①由于温度计的感温泡与套管顶部直接接触，认为温度计的读数就是套管顶部的温度

ta 。而温度计套管与四周环境发生的热量传递方式：从套管顶端自根部的导热，从压缩空气的套管

39.度量(速度与温度)边界层厚度之比的准则？为什么？①用普朗特数