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Nu?hl?h?hl毕渥数 Bi? 或 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
，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。
Re?ul?，自然对流的流动形态判断准则数为格拉晓夫数Gr?g??tl3?2。
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，tw?ts； 产生沸腾换热的必要条件：液体的饱和温度小于壁面温度，tw?ts。
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）。?mT?2.8976?10?3mK
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)
?(?,T)??(?,T)：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)：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？
J??Eb??G 或 J??Eb?(1??)G
有效辐射J包含表面的自身辐射?Eb和对投入辐射G的反射部分?G（或(1??)G）。 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。
0.80.4Nu?0.023RePr② （6分）试从管内强制对流换热的实验关联式 出发，分析强化对
流换热的有效措施。 将Nu?hd?，Re?ud???ud??/??cp，Pr?? 代入实验关联式，得： ??a?/?cp?.40.8.40.8?0.4 （3分） h?f(u0.8,d?0.2,?0.6,c0,??0.4) 或 h?0.023u0.8d?0.2?0.6c0p,?p??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/(m2 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 m2/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 m2/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.
u1l1?1h1l1?u2l2?2h2l2，u2??2l115.063 u1???6.03＝7.82 m/s （3分）
?1l234.851B.
?1??2，h1?l2?13.931 h2???195＝98.63 W/(m2 K) （3分）
l1?22.593
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）
t (℃) 22 40 57 λ (W/mK) 0.0259 0.0276 0.0289 ν (m2/s) 15.16×10-6 16.96×10-6 18.60×10-6 Pr 0.703 0.699 0.696 大空间自然对流实验关联式采用： 层流：Nu?0.48(GrPr)湍流：Nu?0.1(GrPr)1/4Gr?104~5.76?108 Gr?4.65?109
1/3
本题属于大空间自然对流和辐射的复合换热问题。
1. 大空间自然对流换热量的计算： 依题意，由定性温度tm?330?273?22?39.5℃，近似按照40℃查附表确定物性参数。
2根据格拉晓夫数确定自然对流流态：特征尺度为管道外径0.32m，且??1 TmGr?g??tl3?29.8?(57?22)?0.323??1.248?108，属于层流。 （4分） ?62(16.96?10)?313Nu?0.48(GrPr)1/4?0.48?(1.248?108?0.699)0.25?46.39
h?Nu??46.39?0.0276??4 W/(m2 K) d0.32?c?hA?t?4?3.1416?0.32?6?(57?22)?844.46 W （3分）
2. 辐射换热量的计算：
根据被透热介质隔开的两固体表面辐射换热计算公式，当房间面积远大于管道面积时：
T?T??r??1A1(Eb1?Eb2)??1A1?5.67?(1)4?(2)4?100? （3分） ?100?0.93?3.1416?0.32?6?5.67?(3.34?2.954)?1363.2W3. 蒸汽管道在房间内的总散热量：
???c??r?844.46?1363.2?2207.7 W （2分）
⑤ （10分）一长圆管置于正方形通道的中央，如附图所示。试计算角系数X1,2。
由角系数的完整性：X1,2?1?X1,3?X1,4?X1,5 （2分） 首先计算任一正方形边对圆管的角系数：
X5,1?X5,2?X5,3?X5,4?1, X5,1?X5,2?X5,3?X5,4
所以，X5,1?0.25，再由角系数的相对性：X1,5?X5,1A5??0.1＝0.3142 ?0.25?A10.25（2分）
为了计算X1,3，作辅助线如图所示。
由角系数的代数分析法： X1,3?AB?AC?(CE?EF?BF)
2AB2??式中AB=AC=0.25m, CE?BF?OB2?OF2??2?0.25??0.052?0.1695 m
?2???cos??OF0.05??0.2828, ??73.57? ,??180?2??32.86??0.5735rad OB2/2?0.25EF?0.05?0.5735?0.0287m
于是：X1,3?AB?AC?(CE?EF?BF)?0.2646 （4分）
2AB根据对称性，X1,3?X1,4
则：X1,2?1?X1,3?X1,4?X1,5?1?0.2646?0.2646?0.3142＝0.1566 （2分）
⑥ （10分）一套管式换热器采用逆流布置。内管中流过水，进口水温为100℃，出口水温
为70℃；外管中流过14号润滑油，进口油温为20℃，出口油温为80℃。 1. 试判断该套管式换热器是逆流布置还是顺流布置？ 2. 分别计算该换热器的对数平均温差?tm及换热器的效能?。
采用逆流布置。 （2分）
??100 ℃，t1???70℃，t2??20℃，t2???80℃。 （2分） 依题意：t1逆流布置：?tmax?70?20?50℃，?tmin?100?80?20℃ （2分）