2007-2008期末考试试卷参考答案

2007-2008学年第一学期《传热传质学》期末考试试卷

1. 概念题（35分，每题5分）

① 写出Nu 、Bi 的准则数表达式，并解释Nu 、Bi 数的物理意义及其不同之处。

努赛尔数λhl

Nu =

，物理意义为近壁面流体的无量纲温度梯度，表示对流换热的强弱。

毕渥数 λδh Bi = 或 λ

hl

Bi =，物理意义为导热物体内部导热热阻与外部对流换热热

阻的相对大小。

Nu 数中λ为流体的导热系数，一般对流换热系数h 未知，Nu 为待定准则数； Bi 数中λ为导热固壁的导热系数，一般对流换热系数h 为已知量，Bi 为已定准则数。

② 强制对流和自然对流分别存在哪两种流动形态？判断强制对流和自然对流流动形态的

准则数分别是什么？

流动形态主要分为层流和湍流（紊流）；强制对流的流动形态判断准则数为雷诺数

ν

ul

=

Re ，自然对流的流动形态判断准则数为格拉晓夫数2

3

ν

αtl g Gr ∆=

。

③ 试说明在相变对流换热中，产生凝结换热和沸腾换热的必要条件。 产生凝结换热的必要条件：壁面温度小于蒸汽的饱和温度，s w t t <； 产生沸腾换热的必要条件：液体的饱和温度小于壁面温度，s w t t >。

④ 简述维恩位移定律，并由此分析为何炼钢时随着温度的升高，钢锭表面颜色由暗红逐渐

变白？

维恩位移定律：黑体的最大光谱辐射力对应的波长与温度成反比（或黑体的最大光谱辐射力对应的波长与温度的乘积等于常数）。mK T m 3108976.2-⨯=λ

实际物体的光谱辐射力随波长的分布规律与黑体基本一致。根据维恩位移定律，炼钢时随着温度T 的增加，热辐射中最大光谱辐射力对应的可见光波长向短波移动，即钢锭表面的颜色由暗红逐渐变白。

⑤ 试分别指出下列基尔霍夫定律表达式的应用层次及其成立的条件。

)()(),,(),(T T T T αελαλε==

),(),(T T λαλε=：描述的是半球空间光谱发射率与光谱吸收比的关联，成立条件为辐

射表面具有漫射特性，即为漫射表面；

)()(T T αε=：描述的是半球空间（全波段）发射率与吸收比的关联，成立条件为与黑

体处于热平衡或辐射表面是具有漫射特性的灰体表面（漫灰表面）。

⑥ 漫灰表面间的辐射换热计算中采用有效辐射J 。试结合投入辐射G 写出有效辐射J 的表

达式，并说明有效辐射包含哪几部分辐射？

G E J b ρε+= 或 G E J b )1(αε-+=

有效辐射J 包含表面的自身辐射b E ε和对投入辐射G 的反射部分G ρ（或G )1(α-）。 ⑦ 一管束式换热器，管内侧介质为水，管外侧介质为空气。为强化传热，可采用提高管内水流速、将钢管改为铜管，以及管外加肋片等措施。试从传热过程的观点出发，说明哪种措施最为有效，并加以解释。

该传热过程的总热阻包括管内对流换热热阻、管壁导热热阻和管外对流换热热阻三部分。 提高管内水流速、将钢管改为铜管，以及管外加肋片的强化传热措施在于降低上述三个环节的分热阻。一般管外空气侧的对流换热热阻在总热阻中占主要地位。由此，管外加肋片的强化传热措施降低管外空气侧的对流换热热阻最有效。在具体的传热过程中，只有抓住分热阻中最大的环节进行强化才能达到预期的效果。

（注：学生答题中仅提到上述三种措施均能够实现降低热阻、强化传热可以给2分）。

2. 分析计算题（65分）

① （6分）试画出饱和水在水平加热面上沸腾的典型曲线示意图，并结合曲线标注大容器

饱和沸腾的四个区域及临界热流密度点。

其中：曲线2分、标注区域2分、临界热流密度点2分。

② （6分）试从管内强制对流换热的实验关联式 4

.08.0Pr Re 023.0=Nu 出发，分析强化对

流换热的有效措施。 将λ

hd

Nu =

，ηρν

ud ud

=

=

Re ，λ

ηρλρηνp

p c c a ===//Pr 代入实验关联式，得： ),,,,,(4.08.04.06.02.08.0--=ηρλp c d u f h 或 4

.08.04.06.02.08.0023.0--=η

ρλp c d u h （3分） 可见：

1. 流速和密度对h 影响最大，增加管内流速可以有效强化传热；

2. h 正比于d -0.2，即采用小直径管可强化传热；

3. 物性参数中导热系数、比热容和密度正比于h ，动力粘度反比于h ，适当选择流体也

可以起到强化传热的目的。 （3分）

③ （6分）在一台缩小成实物1/3的模型中，用20℃的空气来模拟实物中平均温度为200℃

的空气的加热过程。

A. 若实物中空气的平均流速为6.03 m/s ，则模型实验中流速应为多大？

B. 若模型试验测量得到的平均表面传热系数为195 W/(m 2 K)，则实物的平均表面传热系数为多大？ （20℃，标准大气压下空气的导热系数为2.59 W/(m K)，运动粘性系数为15.06×10-6 m 2/s 200℃，标准大气压下空气的导热系数为3.93 W/(m K)，运动粘性系数为34.85×10-6 m 2/s ）

根据相似准则，模型和实物应该保证Re 、Nu 准则数相等（一般工程计算中Pr 数接近即可）。实物用下标1表示，模型用下标2表示。则有 A.

2

2

21

1

1ννl u l u =

，03.61

3

85.3406.15121122⨯⨯==

u l l u νν＝7.82 m/s （3分）

B.

2

2

21

1

1λλl h l h =

，1953

1

59.293.3221121⨯⨯==

h l l h λλ＝98.63 W/(m 2 K) （3分）

④ （12分）一蒸汽管道保温层外包油毛毡（法向发射率为0.93），表面温度为330K ，外径

为0.32m 。该管道水平穿过室温为22℃的大房间，在房间内的长度为6m 。试计算蒸汽管道在该房间的总散热量。 空气热物性：（空气可看作理想气体）

大空间自然对流实验关联式采用： 层流：844

/11076.5~10Pr)(48.0⨯==Gr Gr Nu 湍流：93

/11065.4Pr)

(1.0⨯>=Gr Gr Nu

本题属于大空间自然对流和辐射的复合换热问题。