冶金传输原理吴树森版复习题库

冶金传输原理吴树森版

复习题库

Document number【980KGB-6898YT-769T8CB-246UT-18GG08】

一、名词解释

1 流体：能够流动的物体。不能保持一定的形状，而且有流动性。

2 脉动现象：在足够时间内，速度始终围绕一平均值变化，称为脉动现象。

3 水力粗糙管：管壁加剧湍流，增加了流体流动阻力，这类管称为水力粗糙管。

4 牛顿流：符合牛顿粘性定律的流体。

5 湍流：流体流动时，各质点在不同方向上做复杂无规则运动，相互干扰的运动。这种流动称为湍流。

6 流线：在同一瞬时，流场中连续不同位置质点的流动方向线。

7 流管：在流场内取任意封闭曲线，通过该曲线上每一点，作流线，组成的管状封闭曲面，称流管。

8 边界层：流体通过固体表面流动时，在紧靠固体表面形成速度梯度较大的流体薄层称边界层。

9 伪塑性流:其特征为（），当n＜1时，为伪塑型流。

10非牛顿流体:不符合牛顿粘性定律的流体，称之为非牛顿流体，主要包括三类流体。

11宾海姆塑流型流体:要使这类流体流动需要有一定的切应力ι时流体处于固结状态，只有当切应力大于ι时才开始流动。

12稳定流:运动参数只随位置改变而与时间无关，这种流动就成为稳定流。

13非稳定流:流场的运动参数不仅随位置改变，又随时间不同而变化，这种流动就称为非稳定流。

14迹线:迹线就是流体质点运动的轨迹线，特点是:对于每一个质点都有一个运动轨迹，所以迹线是一族曲线，而且迹线只随质点不同而异，与时间无关。

16 水头损失:单位质量（或体积）流体的能量损失。

17 沿程阻力:它是沿流动路程上由于各流体层之间的内摩擦而产生的流动阻力，也叫摩擦阻力。

18 局部阻力:流体在流动中因遇到局部障碍而产生的阻力。

19脉动速度:脉动的真实速度与时均速度的差值成为脉动速度。

20 时均化原则:在某一足够长时间段内以平均值的速度流经一微小有效断面积的流体体积，应该等于在同一时间段内以真实的有脉动的速度流经同一微小有效断面积的流体体积。

21热传导:物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动进行的热量传递称为热传导。

22 对流:指流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互惨混所引起的热量传递方式。

23 热辐射:物体因各种原因发出辐射能，其中因热的原因发出辐射能的现象称为热辐射。

24等温面:物体中同一瞬间相同温度各点连成的面称为等温面。

25温度梯度:温度场中任意一点沿等温面法线方向的温度增加率称为该点的温度梯度。

26热扩散率:（），热扩散率与热导率λ成正比，与物体的密度ρ和比热容c成反比。它表征了物体内热量传输的能力。

27 对流换热:流体流过固体物体表面所发生的热量传递称为对流换热。

28 黑体:把吸收率为1的物体叫做绝对黑体，简称黑体。

29 灰体:假定物体的单色吸收率与波长无关，即吸收率为常数，这种假定物体称之为灰体。

30 辐射力的单位:辐射力是物体在单位时间内单位表面积向表面上半球空间所有方向发射的全部波长的总辐射能量，记为E ，单位是W/㎡。

31 角系数:我们把表面1发射出的辐射能落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数。

32质量溶度:单位体积的混合物中某组分的质量。 33摩尔溶度:单位体积混合物中某组分的物质的量。 34 空位扩散:气体或液体进入固态物质孔隙的扩散。

35 自扩散系:指纯金属中原子曲曲折折地通过晶格移动。36 互扩散系数:12

21

D D x

D x =+，式中D 称为互扩散系数。

37 普朗克定律:揭示了黑体辐射能量按波长的分布规律，数学表达式（） 38 斯蒂芬-玻尔茨曼定律:揭示了黑体辐射力正比于其热力学温度的四次方的规律，公式4

b

b

E T σ=

39 维恩位移定律:在一定温度下，绝对黑体的温度与辐射本领最大值相对应的波长λ的乘积为一个常数，λT=b

40 基尔霍夫定律 :任何物体的辐射力与它对来自同温度黑体辐射的吸收率的比值，与物性无关而仅取决于温度，恒等于同温度下黑体的辐射力。

41 投入辐射:单位时间内投射到表面单位面积上的总辐射能被称之为投入辐射。

42 有效辐射:单位时间内离开表面单位面积的总辐射能为该表面的有效辐射。 43 采用何种技术路线测量一固态物质的自扩散系数:

44 柯肯达尔现象:指两种扩散速率不同的金属在扩散过程中会形成缺陷。

45 纽歇尔数: 是由边界换热微分方程而来，它反映了对流换热在边界上的特征 46 温度边界层:称热边界层，流体流过壁面时，边界附近因加热或冷却而形成的具有温度梯度的薄层，也就是对流传热热阻所在区域。

二、问答题

1 流体具有哪些物理性质

压缩性，膨胀性，密度，粘度。 2 流线可以穿过流管吗为什么

答：不能，流管是由流线组成，如果流线穿过流管，意味不同流线将相交，因为流线表示在流线上的质点的运动方向和大小，如果流线穿过流管，意味一个质点在同时具有两个速度，这是不可能的。所以流线不能穿过流管。 3 为什么湍流条件下可以利用牛顿粘度定律计算管道壁面对流体的剪切力 答：边界层都处于层流状态。

4 两个不同水力学系统相似的条件是什么 答，几何相似，动力相似，运动相似。

5 解释雷若数的物理意义，它有何作用

答：表示流体流动过程中惯性力和粘性力的作用大小 ，是它们的比值。可以用来判断流体的流动状态。可以两流体系统相似的判据之一。是摩擦系数的实验变量。

6．温度T=15℃，运动粘度ν＝0.0114cm2/s 的水，在直径d=2cm 的管中流动，测得流速v=8cm/s ，问水流处于什么状态如要改变其运动，可以采取哪

些： 故为层流。

升高温度或增大管径d 均可增大雷诺数，从而改变运动状态。

7．流体在圆管中流动时，“流动已经充分发展”的含义是什么在什么条件下会发生充分发展了的层流，又在什么条件下会发生充分发展了的湍流

答： 流体在圆管中流动时，由于流体粘性作用截面上的速度分布不断变化，直至离管口一定距离后不再改变。进口段内有发展着的流动，边界层厚度沿管长逐渐增加，仅靠固体壁面形成速度梯度较大的稳定边界层，在边界层之外的无粘性流区域逐渐减小，直至消失后，便形成了充分发展的流动。

在层流流进管道时，当流进长度大于l=时，流体发展为充分发展的层流。 在湍流条件下，当流入管长度至l=25-40d 左右，流体为充分发展的湍流。 8 写出流体静力学基本方程式，并说明其能量意义和几何意义。 解:流体静力学基本方程为：

h

P h P P P Z P Z γργ

γ

+=+=+

=+

002

21

1g 或

同一静止液体中单位重量液体的比位能 可以不等，比压强也可以不等，但比位

能和比压强可以互换，比势能总是相等的。 9试判断下列平面流场是否连续

解：由不可压缩流体流动的空间连续性方程（3-19，20）知： ，

y

x x v x

sin 32=?? y x y v y sin 33-=??

()232

3sin sin 31sin 3y

x y y x y

x

y

x x x ν

ν??+=-=-??当x=0，1，或y=k π （k=0，1，

2，……）时连续。

11、温度T=5℃的水在直径d ＝100mm 的管中流动，体积流量Q=15L/s ，问管中水流处于什么运动状态 T=5℃的水动力粘度为-6m2s 解：由题意知：水的平均流速为

根据雷诺数公式

故为湍流。

11．当铸件在砂型中冷却凝固时，由于铸件收缩导致铸件表面与砂型间产生气隙，气隙中的空气是停滞的，试问通过气隙有哪几种基本的热量传递方式 答：热传导、辐射

12 ．假设在两小时内，通过152mm ×152mm ×13mm （厚度）实验板传导的热量为 837J ，实验板两个平面的温度分别为19℃和26℃，求实验板热导率。 解：由傅里叶定律可知两小时内通过面积为152×152mm2的平面的热量为

t x T A t dx dT A

Q ??-=-=λλ

873=-

3600

2101326

191015210152333???-?

????---λ

得 C m W 0

3/1034.9*?=-λ

13 有一厚度为20mm 的平面墙，其热导率λ为(m·℃)。为使墙的每平方米热损失不超过1500W ，在外侧表面覆盖了一层λ为 W/(m·℃)的隔热材料，已知复合壁两侧表面温 度分布750 ℃和55 ℃，试确定隔热层的厚度。

解：由多层壁平板导热热流密度计算公式（9-14）知每平方米墙的热损失为

1500

2

2

112

1≤--λδλδT T 1500

1.03.10

2.055

7502

≤+-δ

得

mm 8.442≥δ

14 液态纯铝和纯铜分别在熔点（铝660℃，铜1083℃）浇铸同样材料构成两个

砂型中，砂型的密实度也相同,试问两个砂型的蓄热系数哪个大为什么

答：此题为讨论题，砂型的蓄热系数反映的是材料的蓄热能力，综合反映材料蓄热和导热能力的物理量，取决于材料的热物性ρλc b =

。

两个砂型材料相同，它们的热导率λ和比热容c 及紧实度都相同，故两个砂型的蓄热系数一样大。

注：铸型的蓄热系数与所选造型材料的性质、型砂成分的配比、砂型的紧实度及冷铁等因素有关！

考虑温度影响时，浇注纯铜时由于温度较纯铝的高，砂型的热导率会增大，比热和密度基本不变，从而使得砂型蓄热系数会有所增大 15 物体在什么条件下，形成漫反射

答：物体是否发生漫反射，取决于表面的粗糙程度（相对于热辐射的波长而言）当表面的不平整尺寸大于投射波长时，形成漫反射。 16，解释黑体的吸收率等于一的物理意义

答：黑体的吸收率等于一，这意味着黑体能够全部吸收各种波长的辐射能。 17，解释制造人造黑体的原理

答：利用工程材料（吸收率必然小于黑体），制造一个空腔，使空腔壁面保持均匀温度，并在空腔上开一个小孔，空腔内要经历多次吸收和发射，而每经历一次吸收辐射就能按内壁吸收率的大小被减弱一次，最终能离开小孔的能量是微乎其微的，可以认为投入辐射完全在空腔内部被吸收。

18，严重氧化的金属表面的发射率分别处于温度50度和500度的环境下，比较该金属在

这两种条件下的发射率大小

答：后者更大，金属材料的发射率随温度升高而增高。 19，解释角系数相对性原理，角系数与温度有关吗

答：公式1

12

2

21

A X A X =表示两个表面在辐射换热时角系数的相对性。角系数与温度无关，因其纯属几何因子，仅取决于几何形状。 20，解释角系数的完整性性质。

答：完整性对于有n 个表面组成的封闭系统，据能量守恒可得

1112131n .....=1

X X X X ++++，此式即为角系数的完整性。

21，用代数法计算表面1和表面2之间的角系数.（只要求列出方程式） 解：作辅助线ac 和bd ，它们代表两个假象面，与表面1和表面2一起组成一个封闭腔。在此系统里，根据角系数的完整性，表面1对表面2的角系数可表示为：

,,,1ab cd ab ac ab bd

X X X =-- 同时，也可以把图形abc 和abd 看成两个各

由三个表面组成的封闭腔。将式

123

121

2L L L X L ++=

用于这两个封闭腔可得：

,2ab ac

ab ac bc X ab +-= ,2ab bd

ab bd ad X ab +-=

于是可得表面1和表面2之间角系数为：

12,()()

2ab cd bc ad ac bd X X ab +-+==

22，气体辐射有何特点

答：1.气体辐射对波长具有选择性 2气体辐射和吸收在整个容积中进行 3气体的反射率为

23，气体的吸收率与发射率相等吗为什么

答：实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比称为该物体的发射率；投射到物体表面的总能量中被吸收的能量所占的份额是物体的吸收率。由基尔霍夫定律可知：当物体表面为漫灰表面时，二者相等 25，一般固体物质的扩散系数受哪些因素影响

答：1.温度。温度越高，扩散系数越大2固溶体类型3晶体结构4第三元素或杂质

26，气体扩散系数受压力影响吗为什么

答：气体中的扩散系数与系统、温度和压力有关，压力越大，分子活动速率加大，导致温度升高，而又由于-/0e Q RT

D D = ,可知温度为其主要影响因素，温度越高扩散系数越大?

27，当铸件在砂型中冷却凝固时，由于铸件收缩导致铸件表面与砂型间产生气隙，气隙中的空气是停滞的，试问通过气隙有哪几种基本的热量传递方式 答：热传导、辐射。 注：无对流换热 29 有哪些因素影响扩散系数

答：①温度:影响扩散激活能和改变物质结构2、杂质③气氛④固溶体类型:间隙性固溶体比置换型固溶体更容易扩散;在置换型固溶体中,原子间尺寸差别越小,电负性越大,亲和力越强,扩散越困难?⑤扩散物质性质和结构⑥化学键类型和强度?⑦扩散介质结构:体心立方结构大于面心立方结构的扩散系数?⑧结构缺陷:结构缺陷活化能小,容易扩散.

三、计算题

1．三段管路串联如图，直径d1=100 cm ，

d2=50cm，d3＝25cm，已知断面平均

速度v3＝10m/s，求v1,v2，和质量流量

(流体为水)。

解：可压缩流体稳定流时沿程质量流保持不变，

故：

质量流量为

2．直径d=200m，长度l=300m的新铸铁管、输送重度γ=m3的石油．已测得流量Q=0.0278m3/s。如果冬季时油的运动粘性系数ν1=1.092cm2/s，夏季时

ν2=0.355cm2/s，问在冬季和夏季中，此输油管路中的水头损失h1各为若干解：由题意知

冬季

同理，夏季有

因为

由布拉休斯公式知：

4．用一风扇把静止空气通过一直管道排到车间外面。管道截面形状为矩形，尺寸为200x300mm,长度为60M,设空气温度为20度，管道入口压力和出口压力都为大气压，设计管道流量为28M3/min,问需要选择多少功率的风扇(空气在1个大气压时的密度为1.207kg/M3, 运动粘度为-6M2S.)

解：写出伯努利方程

P1=P2, Z2=Z1, V1=0

所以上方程简化为

3

3

2

2

1

1

Q A

v

A

v

A

v

vA=

=

=

=

s

m

A

A

v

/

625

.0

v

1

3

3

1

=

=

m/s

5

.

2

2

3

3

2

=

=

A

A

v

v

()s

A/

Kg

490

v

Q

M

3

3

=

=

?

=

水

ρ

ρ

De=4A/Pw=0.24M 在一个大气压，温度15摄氏度的空气密度是M3 则在大气压条件下，空气密度是 ---ρ= 1.18kg 空气粘度为： η=s-m 空气流速

V^=28/7.7m number

Re=VDe ρ/η

是湍流，查表得f= 因为Ef=2f(L/De)V^2

能量平衡方程

β2=1

M*= =92m2/s2=92J/kg

输送每公斤空气消耗能量92J.设计要求每秒输送空气质量流量Q=(28M3/60s)M3=s

则风扇功率为M*xQ=(kgxs)=s=51w

5．有一水管网线支线，长度20M ，管径为20mm 。管线上安装有3个90度的弯接头，一个全开启的阀门。试计算这条管线的压力降。（9分）

已知：温度为20度,设管线为光滑管。要求供应水量10M3/小时，运动粘度查表（教科书，pp234）。 局部损失L/D

6，水从铅直圆管向下流出，如图所示。已知管直径d1＝10 cm ，管口处的水流速度vI ＝1.8m/s ，试求管口下

方h ＝2m 处的水流速度v2，和直径d2。 出口面伯努利方程： 代入数据得：v2=6.52m/s

由 得:d2=5.3cm

7， 已知管径d ＝150 mm ，流量Q ＝15L/s ，液体温度为 10 ℃，其运动粘度系数ν＝0.415cm2/s 。试确定：(1)在此温度下的流动状态；(2)在此温度下的临界速度；(3)若过流面积改为面积相等的正方形管道，则其流动状态如何

名称 L/D

90度弯头

31

全开阀 7

g

v P g v P h a

a

2022

2

2

1

++=++γγ2

211v A v A =

解：流体平均速度为：

雷诺数为：

故此温度下处在不稳定状态。

因此，由不稳定区向湍流转变临界速度为：

由不稳定区向层流转变临界速度为：

若为正方形则

故为湍流状态。

8，在长度L=10000m、直径d=300mm的管路中输送重γ＝m3的重油，其重量流量G＝h，求油温分别为10℃(ν=25cm2/s)和40℃(ν=1.5cm2/s)时的水头损失

解：由题知：

油温为10℃时

40度时

9，常压下温度为30℃的空气以10m/s的速度流过一光滑平板表面，设临界雷诺数Recr=*105,试判断距离平板前缘0.4m及0.8m两处的边界层是层流边界层还是湍流边界层求出层流边界层相应点处的边界层厚度

解：由题意临界雷诺数知对应的厚度为x,则

，一根L/d=10的金属柱体，从加热炉中

取出置于静止的空气中冷却。试问：从加速冷却的目的出发，柱体应水平还是竖直放置（辐射散热相同）试估算开始冷却的瞬间两种情况下自然对流表面传热系数之比（均为层流）

解：在开始冷却的瞬间，可以设初始温度为壁温，因而两种情形下壁面温度相同。水平放置时，特征尺寸为柱体外径；竖直放置时，特征尺寸为圆柱长度，L>d 。近似地采用稳态工况下获得的准则式来比较两种情况下自然对流表面传热系数，则有：

(1) 水平放置. 2

3231r r g Tv Td g Tl P G ?=?=）（, n

r r P G c Nu 111)(= ,

4

153.01==n c

(2) 竖直放置. 23232)(Tv TL g Tv Tl g P G r r ?=?=,n r r P G c Nu 222

)(=, 4

159.02==n c

4

3221121)(59.053.0)()(L d P G c P G c Nu Nu n

r r n

r r =

=

1:6.110)101(59.053.04

32

1

21=?=

=∴L

Nu d

Nu λ

λ

αα

由此可知：对给定情形，水平放置时冷却比较快。所以为了加速冷却，圆柱体

应水平放置。

11，管内强制对流湍流时的换热，若Re 相同，在tf=30℃条件下水的表面传热系数比空气的高多少倍 解：定性温度

30

=f t ℃

查附录D 得到: 42

.5=水f r P

C

m w 。水12.108.61--?=λ 查附录

F 得到：

701

.0=空气rf P

C

m w 。空气12.1067.2--?=λ 为湍流，故f

Re 相同

4

.08

.0Pr Re 023.0水

水f f f Nu *=

4

.08

.0Pr Re 023.0空气

空气f f

f Nu *=

46.521067.210

8.61701.042.5Pr Pr 2

4.04

.02

=??*==∴

--）（）

（空气水空气水空气

水

λλααf f

在该条件下，水的表面传热系数比空气高倍。

12，设保温瓶的瓶胆可看作直径为10cm 高为26cm 的圆柱体，夹层抽真空，夹层两内表面发射率都为。试计算沸水刚注入瓶胆后，初始时刻水温的平均下降速率。夹层两壁壁温可近似取为100℃及20℃

解：

1

11100100111100100111)(2

14241214241121212

,1-+??

????????? ??-??? ??=-+??????????? ??-??? ??=-+-=ΦεεπεεεεT T DhC T T C A E E A b b b b ，代入数据得

42

.12,1=Φw ，而

T

cm t ?=Φ*2,1，

V c cm t T ρ2

,12,1Φ=Φ=?，查附录知100 ℃水的物性

参数为()3

/g 4.958,.g /22.4m K C K KJ C =?=ρ

代入数据得4

10*72.1-=?t T

℃/s

13，两块宽度为W ，长度为L 的矩形平板，面对面平行放置组成一个电炉设计中常见的辐射系统，板间间隔为S ，长度L 比W 和S 都大很多，试求板对板的角系数

解：（参照例11-1）作辅助线ac 和bd ，代表两个假想面，与1

A 、2

A 组成一个封

闭腔，根据角系数完整性：bd

ab ac ab cd ab X X X ,,,1--=，同时可把图形看成两个

由三个表面组成的封闭腔，

w

w b w s ab bc ac ab X ac

ab 2222,+-+=

-+=?1

A 对2

A 的角系数

w s

w b w

w b w s X X cd

ab -+=

+-+-==222

2,2,1221