传热学思考题参考答案(陶文铨第四版)

传热学思考题参考答案

第一章：

1、用铝制水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍安然无恙。而一旦壶内的水烧干后水壶很快就被烧坏。试从传热学的观点分析这一现象。

答：当壶内有水时，可以对壶底进行很好的冷却（水对壶底的对流换热系数大），壶底的热量被很快传走而不至于温度升得很高；当没有水时，和壶底发生对流换热的是气体，因为气体发生对流换热的表面换热系数小，壶底的热量不能很快被传走，故此壶底升温很快，容易被烧坏。

2、什么是串联热阻叠加原则，它在什么前提下成立？以固体中的导热为例，试讨论有哪些情况可能使热量传递方向上不同截面的热流量不相等。

答：在一个串联的热量传递过程中，如果通过每个环节的热流量都相同，则各串联环节的总热阻等于各

串联环节热阻的和。例如：三块无限大平板叠加构成的平壁。例如通过圆筒壁，对于各个传热环节的传

热面积不相等，可能造成热量传递方向上不同截面的热流量不相等。

第二章：

1、扩展表面中的导热问题可以按一维问题处理的条件是什么?有人认为,只要扩展表面细长,就可按一维问题处理,你同意这种观点吗?

答：条件：（1）材料的导热系数，表面传热系数以及沿肋高方向的横截面积均各自为常数（2）肋片温度在垂直纸面方向（即长度方向）不发生变化，因此可取一个截面（即单位长度）来分析（3）表面上的换热热阻远远大于肋片中的导热热阻，因而在任一截面上肋片温度可认为是均匀的（4）肋片顶端可视为绝热。并不是扩展表面细长就可以按一维问题处理，必须满足上述四个假设才可视为一维问题。

2、肋片高度增加引起两种效果:肋效率下降及散热表面积增加。因而有人认为随着肋片高度的增加会出现一个临界高度，超过这个高度后，肋片导热热流量会下降，试分析该观点的正确性。

答：的确肋片高度增加会导致肋效率下降及散热表面积增加，但是总的导热量是增加的，只是增加的部分的效率有所减低，所以我们要选择经济的肋片高度。

第三章：

1、由导热微分方程可知，非稳态导热只与热扩散率有关,而与导热系数无关。你认为对吗？答：错，方程的边界条件有可能与λ有关，只有当方程为拉普拉斯方程和边界条件为第一边界条件时才与λ无关。

2、对二维非稳态导热问题，能否将表面的对流换热量转换成控制方程中的内热源产生的热量？

答：不能，二维问题存在边界微元和内边界微元，内边界微元不一定与边界换热，所以不存在源项。

第四章：

1、在第一类边界条件下，稳态无内热源导热物体的温度分布与物体的导热系数是否有关？为什么？

答：无关，因为方程为拉普拉斯方程，边界为第一边界条件均与λ无关。

2、非稳态导热采用显式格式计算时会出现不稳定性，试述不稳定性的物理含义。如何防止这种不稳定性？

答：物理意义：显示格式计算温度时对时间步长和空间步长有一定的限制，否则会出现不合

理的振荡解；

防止出现不稳定性的方法：各节点对下一时层同一点的影响为正。

第五章：

1、在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大？为什么？有人说对一定表面温差的同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝对值的大小来判断表面换热系数h的大小，你认为如何？

答：在流体温度边界层中，固体表面处的温度梯度的绝对值最大，因为在固体表面与流体之间存在着极薄的一层不动的流体层，在此流体层中流体温度变化极为剧烈。

可以，因为根据传热系数关系式：可知，对于固体表面处同温差的同种流体，和均为定值，h与贴壁处温度梯度成正比。

2、试写出边界层能量微分方程的表达式，它与能量微分方程相比有何特点？

答：边界层能量微分方程:,它较能量方程略去了项，这是由于在边界层中应用数量级分析法发现，能量微分方程得以简化。

第六章：

1、什么叫做两个同类的物理现象相似？相似的物理现象有什么共性？怎样才能做到两个物理现象相似？

答：对于两个同类的物理现象，如果在相应的时刻及相应的地点上与现象有关的物理量一一对应成比例，则称此两现象彼此相似。

相似的物理现象中，同名相似特征数相等。

当满足(1)同名的已定特征数相等（2）单值性条件相似时，两个同类物理现象相似。

2、一般情况下，粘度大的流体其Pr数也较大。其对流换热的实验关联式Nu=cRemPrn可知，Pr数越大，Nu数也越大，从而h也越大。即粘度大的流体其表面换热系数也越高。这与经验得出的结论相反，为什么？

答：由于Re与粘度呈反比例关系，且在多数情况下，Re的指数项大于Pr指数项，所以当粘度增大时，Re减少的速率快于Pr增大的速率，使整个式子呈减小的趋势，即Nu减小，从而表面换热系数h减小。

第七章：

1、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，沿液膜流动方向管束排数越多，换热强度降低，试对上述现象做出解释。

答：空气横掠垂直管束时，沿流动方向管排数越多，气流扰动越强，换热越强，而蒸汽在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管排数越多，凝结液膜越厚，凝结换热热阻越大，换热强度降低。

2、两滴完全相同的水滴在大气压下分别滴在表面温度为120℃和400℃的铁板上，试问滴在哪块板上的水滴先被烧干，为什么？

答：120℃。这是传热学中的沸腾传热问题，当水滴滴在120℃的铁板上了，处于核态沸腾区（我记得DNB点所对应的那个温度是25℃）。而当水滴滴在400℃上时，处于过渡沸腾区。参考饱和水在水平加热面上沸腾的q-Δt曲线，你会发现前者的热流密度大，故更容易烧干。

第八章：

1、选择太阳能集热器的表面涂层时，该涂层表面吸收率随波长的变化最佳曲线是什么？有人认为取暖用的辐射采暖片也需要涂上这种材料，你认为合适吗？

分析：太阳辐射的主要能量集中在0.2～2μm，该涂层表面吸收率随波长的变化最佳曲线是

当波长小于2μm时，吸收率大，当波长大于2μm时，吸收率要小。

不合适。因为如果暖片在高温（波长小）时有很大的吸收比，那么暖片将有很大的辐射换热量，减小了对流换热量，因此不适合。

答：最佳的曲线应是在短波部分（如λ<3μm）光谱吸收比α(λ)=1，而在长波部分α(λ)=0，这样吸收太阳能最多，向外辐射散热最少。对于辐射采暖器，其表面温度不高，大部分辐射位于长波范围，此时α(λ)=0，由基尔霍夫定律知ε(λ)=0，反而阻碍其散热，因而涂上这种材料不合适。

2、温度均匀的的空腔壁面上的小孔具有黑体辐射的特性，那么空腔内部壁面的辐射是否也是黑体辐射？

分析：书中P355指出，在这样的等温空腔内部，辐射时均匀而且是各向同性的，空腔内表面上的辐射（这里指的是有效辐射，包括该表面的自身辐射及反射辐射在内），就是同温度下地黑体辐射。不管腔体壁面的自身辐射特性如何。因此，空腔内部壁面的辐射不一定是黑体辐射

答：空间内部壁面不一定是黑体辐射，之所以小孔呈现出黑体特性，是因为辐射在空腔内经历了很多次吸收和反射过程，使离开小孔的能量微乎其微。

第九章：

1、要增强物体间的辐射换热，有人提出用发射率ε大的材料。而根据基尔霍夫定律，对漫灰表面ε=α，即发射率大的物体其吸收比也大。有人因此得出结论：用增大发射率ε的方法不能增强辐射换热。请判断这种说法的正确性，并说明理由。

分析：该结论不正确。当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体作为灰体，即不能把物体在常温下的发射率作为对太阳能的吸收比。（P377）又不仅人工研制的涂层表面对太阳能的吸收比不等于其自身的发射率，而且一般材料也是如此。（P430）

故当物体的辐射传热涉及温度较低的红外辐射与太阳辐射时，增大发射率ε可以增强辐射换热。

答：在其他条件不变时，由物体的表面热阻可知，当ε越大时，物体的表面辐射热阻越小，因而可以增强辐射换热。因此，上述说法不正确。

2、黑体表面与重辐射面均具有J=Eb，这是否意味着黑体表面与重辐射面具有相同的性质。

分析：不是。黑体表面的J3=E b3中的J是由E b确定，重辐射面的J3=E b3中的J3是一个浮动的电势，取决于其他两面的J1和J2以及其间的表面热阻。且重辐射表面的温度是未知的，由其他两个表面所决定。

答：虽然黑体表面与重辐射面均具有J=Eb的特点，但二者具有不同的性质。黑体表面的温度不依赖于其他参与辐射的表面，相当于源热势。而重辐射面的温度则是浮动的，取决于参与辐射的其他表面。

第十章：

1、在圆管外敷设保温层与在圆管外设置肋片从热阻分析的角度有什么异同？在什么情况下加保温层反而会强化其传热而加肋片反而会削弱其传热？

答：在圆管外敷设保温层和设置肋片都使表面换热热阻降低而导热热阻增加，而一般情况下保温使导热热阻增加较多，使换热热阻降低较少，使总热阻增加，起到削弱传热的效果；设

置肋片使导热热阻增加较少，而换热热阻降低较多，使总热阻下降，起到强化传热的作用。但当外径小于临界直径时，增加保温层厚度反而会强化传热。理论上只有当肋化系数与肋面总效率的乘积小于1 时，肋化才会削弱传热。

2、对于qm1c1>qm2c2，qm1c1

1122m m q c q c >

1't 1''t 2'

t 2''

t

1't 2't 2''t

1122m m q c q c <

1'

t 1''

t 2'

t 2''

t

1't 2't 2''t

1122m m q c q c =

1't 1''

t 2'

t 2''

t

1't 1't 2't 2''t

顺流

逆流

顺流

逆流 逆流

q c值越大则温度变化率越小，在图上标示出来就是斜率越小（具体可参考换热要点：m

器原理一书）。当相等时，顺流为对称的两曲线，而逆流时则为平行线。