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2019大连理工大学843传热学真题大连理工大学大连理工大学2019考研843传热学简答题1.写出Bi,Nu,Gr的定义式及物理意义。(5分)答:Bi=ℎ𝑙𝜆(λ为固体的导热系数),表示物体在非稳态条件下内部温度场的分布规律;Nu=ℎ𝑙𝜆(λ为流体的导热系数),描述对流换热的强弱;Gr=𝑔𝑙3𝛼·Δ𝑡𝜈2自然对流流态对换热的影响。2.室内热平板,上侧还是下侧传热速率快?为什么?(5分)答:上侧传热速率快上侧传热的主要方式为热传导和自然对流;下侧传热的主要方式为热传导;这是因为热量向上传递时,上部空气受热升温向上运动,会形成自然对流,强化传热。3.三个物体的温度分别为T1,T2,T3,当T1T2T3时,分析光谱辐射力的特点,并画出图。(5分)答:根据普朗克定律,温度愈高,同一波长下的光谱辐射力愈大;在一定的温度下,黑体的光谱辐射力在某一波长下具有最大值;随着温度的升高,取得最大值的波长愈来愈小,即在λ坐标中的位置向短波方向移动。2019大连理工大学843传热学真题大连理工大学4.一个换热器,管内流体为水,管外为空气,为了强化换热而加装肋片,问肋片加在管内好还是管外好?为什么?(5分)答:该换热器管内为水的对流换热,管外为空气的对流换热,主要热阻在管外空气侧,因而管外加装肋片可强化传热。5.在什么条件下,可以将肋片导热问题简化为一维稳态导热问题?(5分)答:材料的导热系数λ、表面传热系数h以及沿肋高方向的横截面积𝐴𝑐均各自为常数;肋片温度在垂直于纸面方向(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;表面上的换热热阻1ℎ⁄远远大于肋片中的导热热阻𝛿𝜆⁄,因而在任一截面上肋片温度可认为是均匀的;肋片顶端可视为绝热,即在肋的顶端dtdx=0。6.简述强化膜状凝结换热的基本原则和实现方法。(5分)答:基本原则:尽量减薄粘滞在传热表面上液膜的厚度;实现方法:减薄液膜厚度或破坏液膜;加速液膜排泄;减少不凝结气体质量分数;对凝结表面采取一定措施,使其尽可能实现珠状凝结。7.控制热流密度,沸腾传热过程将沿沸腾曲线如何变化?膜态沸腾有哪些传热过程?(5分)答:控制热流密度,当加热功率q稍超过临界热流密度qmax值时,工况将沿qmax虚线跳至稳定膜态沸腾区。膜态沸腾区:加热面上形成稳定的气膜层产生的蒸汽有规律地排离膜层,故有热传导、对流换热和汽化潜热,气膜内还存在辐射换热。8.膜状凝结的雷诺数是如何定义的?(5分)答:以竖壁为例4Reswlhlttr(具体推导过程见书中308页)2019大连理工大学843传热学真题大连理工大学其中,h——表面传热系数,w/(m2K);l——竖壁高度,m;ts——饱和蒸气温度,K;tw——壁面温度,K;r——汽化潜热,J/kg;ηl——饱和液体的动力粘度,kg/(ms)。9.随着流体在管内流动距离的增加,管内对流换热系数如何变化?(5分)答:入口段的热边界层较薄,局部表面传热系数比充分发展段的高,且沿着主流方向逐渐降低。如果边界层中出现湍流,则因湍流的扰动与混合作用又会使局部表面传热系数有所提高,再逐渐趋向一个定值。当流动边界层及热边界层汇合于管子中心线后称流动或换热已经充分发展,此后的换热强度将保持不变。10.集总参数法更适用于空气条件下还是水的条件下?(5分)答:集总参数法,即在任一时刻可认为物体内部温度是均匀的,要求物体内部的导热热阻要远小于外部流体的对流热阻。因为空气的热阻比水大,故集总参数法更适用于空气条件下。计算推导证明1.如图所示的有内热源𝚽̇的二维稳态导热区域中,左侧界面绝热,右侧和下侧界面等温温度为𝒕𝟎,上侧界面与温度为𝒕𝒇的流体对流换热,𝛌、𝐡均匀,试列出节点1,2,4,5的离散方程式。(16分)答:【稳态导热差分方程式问题】节点1:λ𝑡4−𝑡1Δ𝑦∙∆𝑥2+𝜆𝑡2−𝑡1Δ𝑥∙∆𝑦2+∆𝑥∙∆𝑦4∙Φ̇+12∆𝑥ℎ(𝑡𝑓−𝑡1)=0当∆x=∆y时,𝑡4+𝑡2−2𝑡1+∆𝑥22∙Φ̇𝜆+ℎΔ𝑥𝜆(𝑡𝑓−𝑡1)=0节点2:λ𝑡5−𝑡2Δ𝑦∙∆𝑥+𝜆𝑡1−𝑡2Δ𝑥∙∆𝑦2+𝜆𝑡3−𝑡2Δ𝑥∙∆𝑦2+∆𝑥∙∆𝑦2∙Φ̇+∆𝑥ℎ(𝑡𝑓−𝑡2)=02019大连理工大学843传热学真题大连理工大学当∆x=∆y时,2𝑡5+𝑡1+𝑡3−4𝑡2+Δ𝑥2∙Φ̇𝜆+2ℎΔ𝑥𝜆(𝑡𝑓−𝑡2)=0节点4:λ𝑡1−𝑡4Δ𝑦∙∆𝑥2+𝜆𝑡7−𝑡4Δ𝑦∙∆𝑥2+𝜆𝑡5−𝑡4∆𝑥∙∆𝑦+∆𝑥∙∆𝑦2∙Φ̇=0当∆x=∆y时,𝑡1+𝑡7+2𝑡5−4𝑡4+Δ𝑥2∙Φ̇𝜆=0节点5:λt2−𝑡5Δ𝑦∙∆𝑥+𝜆𝑡8−𝑡5Δ𝑦∙∆𝑥+𝜆𝑡4−𝑡5∆𝑥∙∆𝑦+𝜆𝑡6−𝑡5Δ𝑥∙∆y+∆x∙∆y∙Φ̇=0当∆x=∆y时,𝑡2+𝑡8+𝑡4+𝑡6−4𝑡5+Δ𝑥2∙Φ̇𝜆=02.如图所示,下面放置一个r=1m的圆盘,上面盖着一个R=3m的球壳,圆心与球心重合,只有圆盘和球壳相对的表面参与换热,求X1,2,X2,1,X2,2,X2,3。(12分)答:【角系数问题】𝑋1,2=1𝑋2,3=1𝐴2𝑋2,1=𝐴1𝑋1,2𝑋2,1=118𝑋2,1+𝑋2,2=1𝑋2,2=1−𝑋2,1=17183.将质量为6kg的金属球放在空气中冷却,金属球初始温度𝒕𝟎=𝟑𝟎𝟎℃,空气温度𝒕∞=𝟐𝟎℃,空气与金属球表面间的对流换热系数𝐡=𝟏𝟐𝐰/(𝒎𝟐∙𝐤),试计算金属球的时间常数和冷却到90℃所需的时间。已知钢球的𝐜=𝟎.𝟒𝟖𝐤𝐉/(𝐤𝐠∙𝐤),𝛒=𝟐𝟕𝟎𝟕𝐤𝐠/𝒎𝟑,𝛌=𝟐𝟑𝟕𝐰/(𝐦∙𝐤)。(15分)答:【集中参数法的应用问题】43𝜋𝑅3×2707kg/𝑚3=6𝑘𝑔解得R=0.081mBi=ℎ(𝑉𝐴⁄)𝜆=ℎ×43𝜋𝑅3/4𝜋𝑅2𝜆=ℎ∙𝑅3𝜆=12w/(𝑚2∙k)×0.081m/3237w/(m∙k)=0.001370.0333可以采用集中参数法2019大连理工大学843传热学真题大连理工大学时间常数𝜏0=𝜌𝑐𝑉ℎ𝐴=2707kg/𝑚3×480J/(kg∙k)×0.081m12w/(𝑚2∙k)×3=2923.56sℎ𝐴𝜌𝑐𝑉=1𝜏0=3.42×10−4𝑠−1𝑡−𝑡∞𝑡0−𝑡∞=90℃−20℃300℃−20℃=exp(−3.42×10−4𝜏)解得τ=4053s=1.126h∴金属球冷却到90℃所需1.126h4.空气在管内流动,空气流速为10m/s,管径为5cm,空气的入口初始温度为200℃,保持管壁温度始终比空气高20℃,求单位管长的换热量和空气流过5米长的管道时管子出口处管壁温度。已知空气的物性参数:导热系数𝛌=𝟎.𝟎𝟐𝟕𝐰/(𝐦∙℃),密度𝛒=𝟏.𝟏𝟐𝐤𝐠/𝒎𝟑,比热容𝐜=𝟏𝟎𝟎𝟎𝐉/(𝐤𝐠∙℃),粘度𝛖=𝟏.𝟕×𝟏𝟎−𝟓𝐦𝟐/𝒔。已知流体受迫流过圆管的换热计算式为:𝐍𝐮=𝟎.𝟎𝟐𝟑𝑹𝒆𝟎.𝟖𝑷𝒓𝟎.𝟒(湍流);𝐍𝐮=𝟏.𝟖𝟔(𝐑𝐞∙𝐏𝐫∙𝑫𝑳)𝟏𝟑(层流)。(20分)答:【管槽内强制对流换热问题】Re=𝑢𝑑𝜐=10×5×10−21.7×10−5=29412104流动处于旺盛湍流区Pr=𝜐𝑎=𝜐∙𝜌𝑐𝜆=1.7×10−5×1.12×10000.027=0.7Nu=0.023𝑅𝑒0.8𝑃𝑟0.4=0.023×(29412)0.8×(0.7)0.4=75h=𝜆𝑑𝑁𝑢=0.0275×10−2×75=40.5𝑤/(𝑚2∙℃)Q0=hπdΔt=40.5𝑤/(𝑚2∙𝑘)×3.14×5×10−2𝑚×20℃=127.23wρu∙𝜋𝑑24∙𝑐∙(𝑡𝑓′′−𝑡𝑓′)=5Q0=636.15w解得𝑡𝑓′′=228.93℃𝑡𝑤′′=𝑡𝑓′′+20=248.93℃5.两块尺寸均为𝟏𝐦×𝟏𝐦,间距为𝟎.𝟓𝐦的平行平板置于室温𝒕𝟑=𝟐𝟕℃的房间内。平板背面不参与换热。已知两板的温度和发射率分别为𝒕𝟏=𝟏𝟎𝟎𝟎℃,𝒕𝟐=𝟓𝟎𝟎℃和𝜺𝟏=𝟎.𝟐,𝜺𝟐=𝟎.𝟓,两板之间的角系数是0.25,试计算每块板的净辐射散热量及房间墙壁所得到的辐射热量。(22分)2019大连理工大学843传热学真题大连理工大学答:【辐射传热网络问题】𝑋1,2=𝑋2,1=0.25𝑋1,3=𝑋2,3=1−𝑋1,2=1−0.25=0.751−𝜀1𝜀1𝐴1=1−0.20.2×1𝑚2=4.00𝑚−21−𝜀2𝜀2𝐴2=1−0.50.5×1𝑚2=1.00𝑚−21𝐴1𝑋1,2=11𝑚2×0.25=4.00𝑚−21𝐴1𝑋1,3=11𝑚2×0.75=1.33𝑚−21𝐴2𝑋2,3=11𝑚2×0.75=1.33𝑚−2𝐽1:𝐸𝑏1−𝐽14.00+𝐽2−𝐽14.00+𝐸𝑏3−𝐽11.33=0𝐽2:𝐽1−𝐽24.00+𝐸𝑏3−𝐽21.33+𝐸𝑏2−𝐽21.00=0其中𝐸𝑏1=𝐶0(𝑇1100)4=5.67×(273+1000100)4=148.90𝑘𝑤/𝑚2𝐸𝑏2=𝐶0(𝑇2100)4=5.67×(273+500100)4=20.24𝑘𝑤/𝑚2𝐸𝑏3=𝐶0(𝑇3100)4=5.67×(273+27100)4=0.46𝑘𝑤/𝑚2解得𝐽1=30.51𝑘𝑤/𝑚2𝐽2=2.59𝑘𝑤/𝑚2Φ1=𝐸𝑏1−𝐽11−𝜀1𝜀1𝐴1=148.90𝑘𝑤−30.51𝑘𝑤4.00=29.60𝑘𝑤Φ2=𝐸𝑏2−𝐽21−𝜀2𝜀2𝐴2=20.244𝑘𝑤−2.59𝑘𝑤1.00=17.65𝑘𝑤Φ3=𝐸𝑏3−𝐽10.699+𝐸𝑏3−𝐽20.699=−(𝐸𝑏1−𝐽12+𝐸𝑏2−𝐽20.5)=−(Φ1+Φ2)=−(29.60𝑘𝑤+17.65𝑘𝑤)=−47.25kw6.某逆流套管换热器,内管走水,内管内径为20cm,外管走油,外管内径为40cm,油的进口温度为100℃,其流速和比热分别为0.1kg/s和𝟐𝟏𝟑𝟏𝐉/(𝐤𝐠∙℃),水的进口温度为20℃,其流速和比热分别为0.2kg/s和𝟒𝟏𝟕𝟒𝐉/(𝐤𝐠∙℃),换热器的传热系数为𝟒𝟎𝐰/(𝒎𝟐∙℃),求油的出口温度为50℃时的管长。(15分)2019大连理工大学843传热学真题大连理工大学答:【换热器问题】Φ=𝑞𝑚1𝑐1(𝑡1′−𝑡1′′)=𝑞𝑚2𝑐2(𝑡2′′−𝑡2′)0.1×π×(0.22−0.12)×2131×(100−50)=0.2×π×0.12×(𝑡2′′−20)=1004.21w解得𝑡2′′=32.76℃∴冷却水出口温度为32.76℃Φ=kA∆𝑡𝑚其中∆𝑡𝑚=∆𝑡𝑚𝑎𝑥−∆𝑡𝑚𝑖𝑛𝑙𝑛∆𝑡𝑚𝑎𝑥∆𝑡𝑚𝑖𝑛=(100−32.76)−(50−20)𝑙𝑛100−32.7650−20=46.14℃A=Φ𝑘Δ𝑡𝑚=1004.2140×46.14=0.54𝑚2π×0.12×𝑙=0.54解得𝑙=17.19𝑚
本文标题:2019年大连理工大学843传热学真题
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