熱工基礎第十章思考題答案1 何謂表面傳熱系數？寫出其定義式并說明其物理意義。答：q=h（tw-tf），牛頓冷卻公式中的h為表面傳熱系數。表面傳熱系數的大小反映對流換熱的強弱。2 用實例簡要說明對流換熱的主要影響因素。答：（1）流動起因 室內暖氣片周圍空氣的流動是自然對流。而風機中的流體由于受到外力的作用屬于強迫對流。強迫對流和自然對流的換熱效果是不同的。 （2）流動的狀態 流動狀態有層流和湍流，層流和湍流的對流換熱強度不同，輸水管路，水流速度不同，會導致水的流動狀態由層流到湍流，那么這兩種流動狀態對流換熱效果是不同的。 （3）流體有無相變 水在對流換熱過程中被加熱變成水蒸氣，蒸氣在對流換熱過程中被冷卻變成水，這個過程會吸收和放出汽化潛熱，兩個換熱過程的換熱量不同。 （4）流體的物理性質 流體的物理性質對對流換熱影響很大，對流換熱是導熱和對流兩種基本導熱共同作用的結果。因此，比如水和油，金屬和非金屬對流換熱效果不同。 （5）換熱表面的幾何因素 換熱器管路叉排和順排換熱效果不同，換熱管線直徑大小對換熱效果也有影響。3 對流換熱微分方程組有幾個方程組組成，各自到處的理論依據是什么？答：（1） 連續性微分方程（2） 熱量平衡方程（1） u+uux+vuy=Fx-px+(2ux2+2uy2) 動量平衡方程 連續性微分程的依據是根據質量守恒導出的 熱量平衡方程是根據能量守恒導出的 動量平衡方程是根據動量守恒導出的4 何謂流動邊界層和熱邊界層？它們的厚度是如何規定的。 答：流動邊界層是由于流體粘度造成速度變化的區域，即速度發生明顯變化的流體薄層。速度達到0.99u處的y值作為邊界層的厚度，用表示。 當溫度均勻的流體與它所流過的固體壁面溫度不同時，在壁面附近會形成一層溫度變化較大的流體層，稱為熱邊界層。過于溫度t-tw=0.99（t-tw）處到壁面的距離為熱邊界層的厚度。5 簡述邊界層理論的基本內容。答：（1）邊界層的厚度與壁面特征長度L相比是很小的量。 （2）流場劃分為邊界層區和主流區。流動邊界層內存在較大的速度梯度，是發生動量擴散的主要區域。在流動邊界層之外的主流區，流體可近似為理想流體。熱邊界層內存在較大的溫度梯度，是發生熱量擴散的主要區域，熱邊界層之外的溫度梯度可以忽略。（3）根據流動狀態，邊界層分為層流邊界層和湍流邊界層。湍流邊界層分為層流底層、緩沖層與湍流核心三層。層流底層內的速度梯度和溫度梯度遠大于湍流核心。（4）在層流邊界層與層流底層內，垂直于壁面方向上的熱量傳遞主要靠導熱。湍流邊界層的主要熱阻在層流底層。6 邊界層理論對求解對流換熱問題有何意義？答：應用邊界層理論分析對流換熱微分方程中各項的數量級，忽略高階小量，可以使對流換熱微分方程組得到合理的簡化，更容易分析求解。7 層流邊界層和湍流邊界層在傳熱機理上有何區別？答：在層流邊界層內， 熱邊界層內的溫度梯度的變化比較平緩，垂直于壁面方向上的熱量傳遞主要依靠導熱。而湍流邊界層內，層流底層有很大的溫度梯度，熱量傳遞主要靠導熱；而湍流核心內由于強烈的擾動混合使溫度趨于均勻，溫度梯度較小，熱量傳遞主要靠對流。8 何謂兩個物理現象相似？答：如果同類物理現象之間所有同名物理量場都相似，即同名的物理量在所有對應瞬間、對應地點的數值成比例，稱物理現象相似。9 簡述相似理論的主要內容。答：（1）物理現象相似的定義：如果同類物理現象之間所有同名物理量場都相似，即同名的物理量在所有對應瞬間、對應地點的數值成比例，稱物理現象相似。 （2）物理現象相似的性質：彼此相似的物理現象，同名的相似特征數相等。 （3）相似特征數之間的關系：所有相似的物理現象的解必定用同一個特征關聯式來描寫，這意味著，從一個物理現象所獲得的特征關聯式適用于與其相似的所有物理現象。 （4）物理現象相似的條件：同類現象；單值性條件相似；同名已定特征數相等。10 如何判斷兩個現象是否相似？答：1) 同類現象 2）單值性條件相似 3）同名已定特征數相等11 相似理論對解決對流換熱問題有何指導意義？答：利用模型試驗來模擬實際對流換熱過程，探索對流換熱規律，是目前求解復雜對流換熱問題的主要方法。確定對流換熱特征數關聯式是模型實驗研究的主要目的之一。相似理論回答了進行模型試驗所必須解決的3個主要問題：如何安排試驗，怎樣整理實驗數據，實驗結果的適用范圍。12 分別寫出努賽爾數Nu，雷諾數Re，普朗特數Pr，格拉曉夫數Gr的表達式，并說明它們的物理意義。答：努塞爾數，它表示表面上無量綱溫度梯度的大小。 雷諾數，Re=ul，表征流體慣性力與粘性力的相對大小。 普朗特數Pr=，表征流體動量擴散能力與熱量擴散能力的相對大小。 格拉曉夫數Gr=gatl33，表征浮升力與粘性力的相對大小。13 努賽爾數Nu和畢渥數Bi的表達式的形式完全相同，二者有何區別？答：Bi表征第三類邊界條件下的固體導熱熱阻與邊界處的對流換熱熱阻之比，表達式中的表面傳熱系數h由第三類邊界條件給定，熱導率是固體材料的熱導率，特征長度l是反映固體導熱溫度場幾何特征的尺度；而Nu表征流體在壁面外法線方向上的平均無量綱溫度梯度，其大小反映對流換熱的強弱。Nu表達式中的h是特定參數，是流體的熱導率，l是反映對流換熱固體邊界幾何特征的尺度。14 何謂管內流動充分發展段和熱充分發展段？有何特點？答：流動邊界層的邊緣在圓管的中心線匯合之后，圓管橫截面上的速度分布沿軸向不再變化，稱流體進入流動充分發展階段。 特點：1）沿軸向的速度不變，其它方向速度為零。 2）圓管橫截面上的速度分布為拋物線分布。 3）沿流動方向的壓力梯度不變，阻力系數f為常數。 當熱邊界層的邊緣在圓管中心線匯合之后，雖然流體的溫度仍然沿x方向不斷發生變化，但無量綱溫度不再隨x而變，只是r的函數，這時稱管內的對流換熱進入熱充分發展階段。特點：表面傳熱系數沿流動方向保持不變。15 試說明在運用特征數關聯式計算對流換熱問題時應該注意哪些問題。答：1）流體的流動狀態。 2）流體的物性，管道的幾何尺寸，管內壁的粗糙度。 3）管路進口段的影響。 4）流體物性場是否均勻。 5）管壁及管內流體溫度的變化。 6）流動的起因等。16 試說明大空間內沿豎直壁面的自然對流換熱的數學描述與沿豎直壁面的強迫對流換熱的共同點與不同點。 答：相同點： 大空間豎壁自然對流和強迫對流都可以用以上的方程組。不同點：純自然對流的特征關聯式：Nu=f（Gr，Pr）純強迫對流的特征關聯式：Nu=f（Re，Pr）17試說明大空間內沿豎直壁面的自然對流換熱的邊界層速度與沿豎直壁面的強迫對流換熱有何區別？答：大空間豎壁自然對流換熱，浮升力是自然對流的動力，反映浮升力與粘性力相對大小的Gr數對自然對流起決定作用。Gr數越大，自然對流換熱越強。而大空間豎壁強迫對流換熱，是慣性力與粘性力的作用下發生的，這就決定了自然對流邊界層內的速度分布與強迫對流不同：自然對流的最大速度位于邊界層內部，并隨著Pr的增大無量綱速度的最大值減小，并且位置向壁面移動。而強迫對流的最大速度是在主流區，即在邊界層以外的區域。強迫對流的邊界層內有較大的速度梯度，但速度較小。18 夏季和冬季頂層天棚內表面處，房屋外墻外表面的對流換熱有何不同？答：夏季和冬季頂層天棚內表面是自然對流換熱，冬季和夏季墻壁內表面溫度不同，夏季高而冬季低。在夏季室內空氣溫度低于屋頂天花板的溫度，在冬季夏季室內空氣溫度高于屋頂天花板的溫度 。因此夏季屋頂天花板內表面的自然對流換熱為熱面朝下（或冷面朝上），而冬季為冷面朝下（或熱面朝上），因此兩者自然對流換熱表面傳熱系數不相同，夏季自流對流換熱表面傳熱系數低于冬季。 夏季和冬季房屋外墻外表面是強迫對流換熱，冬季外墻溫度高于周圍空氣溫度，夏季外墻溫度低于周圍空氣溫度，夏季是對流吸熱，冬季是對流放熱。19 試說明