传热学整合1

1夏季在维持20℃的室内工作，穿单衣会感到很舒适，而冬季在保持22℃的室内工作时，却必须穿羽绒衣才觉得舒服。从传热学分析原因。答：首先，冬季和夏季最大的区别就是室外温度不同，夏季室外温度高于室内温度，因此通过墙壁的热量的传递方式是由室外传向室内，而冬季则相反，因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。因此尽管冬季室内温度略高于夏季，但是人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多，由于人体对于冷感的感受主要是散热量，所以在冬季要传一些后的衣服。

2冬天，在相同的室外条件下，为什么有风比无风时感觉更冷一些？答：假定人体表面温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时属于自然对流换热。而空气的强制对流换热比自然对流强烈，因而在有风时人体带走的热量更多，所以感到更冷一些。 3利用同一台冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大？答：当其他条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱蒸发器和冰箱冷冻室之间增加了一个附加热阻，因此，要达到相同的制冷温度，必然要求蒸发器处于更低的温度，所以结霜的冰箱耗电量更大。

4试分析室内暖气片的散热过程，各环节都有哪些热量传递方式？答：有以下换热环节和热传递方式：（1）由热水到暖气片管道内壁，热传递方式是对流换热（强制对流）；（2）由暖气片管道内壁至外壁，热传递方式为导热；（3）由暖气片外壁至室内环境和空气，热传递方式有辐射换热和对流换热。

5由导热微分方程可知，非稳态导热只与热扩散率有关，而与导热系数无关，你认为对吗？答：由于描述一个导热问题的完整的数学描写不仅包括控制方程，还包括定解条件。所以虽然非稳态导热的控制方程只与扩散率有关，但边界条件中却有可能包括导热系数λ.因此上述观点不对。

6由对流换热方程可知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度无关。试判断这种说法的正确性。答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中对流项含有流体速度，即要获得液体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。因此表面传热系数必与流体速度场有关。

7其他条件相同时，同一根管子横向冲刷与纵向冲刷相比，那个表面传热系数大，为什么？答：横向冲刷时表面传热系数大。因为纵向冲刷时相当于外掠平板的流动，热边界层较厚，而横向冲刷时热边界层薄且存在由于边界层分离而产生的漩涡，增加了液体的扰动，因而换热强。

8有一台放置于室外的冷库，从减小冷库冷量损失的角度出发，冷库外壳应涂成深色还是浅色？答：要减少冷库冷损，须尽可能少的吸收外界热量，而尽可能多地向外释放热量。因此冷库应取较浅的颜色，从而使吸收的可见光能量较少，而向外发射的红外线较多。 问题9 人们常说“下霜了”，那么霜是产生在树叶上表面还是下表面？回答：霜会结在树叶上的表面。因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的温度低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜 问题12 在冬季的晴天，白天和晚上空气温度相同，但白天感觉暖和，晚上却感觉冷。试解释这种现象。

回答：白天和晚上人体向空气传递的热量相同，且均要向温度很低的太空辐射热量。但白天和晚上的差别在于：白天可以吸收来自太阳的辐射能量，而晚上却不能。因而晚上感觉会更冷一些。

1、什么是物体表面的黑度，它与哪些因素相关? 什么是物体表面的吸收率，它与哪些因素相关? 它们之间有什么区别? 物体表面的黑度被定义为物体表面的辐射力与其同温度下黑

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体辐射的辐射力之比，它与物体的种类、表面特征及表面温度相关。 物体表面的吸收率是表面对投入辐射的吸收份额，它不仅与物体的种类、表面特征和温度相关，而且与投入辐射的能量随波长的分布相关，也就是与投入辐射的发射体的种类、温度和表面特征相关。

比较两者的相关因素不难看出它们之间的区别，概括地说黑度是物体表面自身的属性，而吸收率确不仅与自身有关情况有关还与外界辐射的情况紧密相连。

2、什么是定向辐射强度？满足兰贝特定律的辐射表面是什么样的表面？试列举几种这样的表面。定向辐射强度定义为，单位时间在某方向上单位可见辐射面积（实际辐射面在该方向的投影面积）向该方向上位立体角内辐射出去的一切波长范围内的能量。满足兰贝特定律的辐射表面是漫反射和漫发射的表面，简称漫射表面。如，相对于光线的粗糙表面、黑体表面和红外辐射范围的不光滑的实际物体表面都可以近似认为是漫射表面。

3、按照基尔霍夫定律的要求，物体表面的黑度等于其吸收率应该在什么条件下成立？灰体是否需要这些条件？按照基尔霍夫定律的要求，物体表面的黑度应等于其对同温度的黑体辐射的吸收率，条件就是，发射体为黑体，且温度与吸收体的温度相同。

由于灰体是单色吸收率为常数的物体，那么它对来自不同温度的如何物体都有相同的吸收率，因而是无条件具有黑度等于其吸收率。

4、什么是灰体？在实际工程计算中我们把物体表面当作灰体处理应满足什么条件？而又为什么要满足这样的条件？灰体是单色吸收率为常数的物体。在实际工程计算中我们把物体表面当作灰体处理应满足的条件是物体的辐射换热过程必须在工程温度范围。这是因为在工程温度范围（2000K以下）物体的热辐射主要是红外辐射，而在红外辐射范围内大多数物体表面的吸收率仅在一个小范围内变化，因而可以将其视为常数，也就可以当作灰体处理。 7、什么是辐射表面之间的角系数? 在什么条件下角系数成为一个纯几何量？我们把1表面辐射出去的辐射能投到2表面上去的份额定义为表面1对表面2的角系数，记为X1，2。将从能量传递角度定义的角系数视为一个纯几何量，只能在等强辐射表面之间的能量传递中成立。

8.热量传递有哪三种基本方式？它们传递热量的机理任何？自然界是否存在单一的热量传递方式？试举例说明。 热传导――是借助于物质的微观粒子运动而实现的热量传递过程；热对流――是借助于流场中流体的宏观位移而实现的热量传递过程；热辐射――是借助于物体发射和吸收光量子或电磁波而实现的热量传递过程；自然界存在单一的热量传递方式，如真空中进行的热辐射和固态物质中的热传导。

我们把1表面辐射出去的辐射能投到2表面上去的份额定义为表面1对表面2的角系数，记为X1，2。

将从能量传递角度定义的角系数视为一个纯几何量，只能在等强辐射表面之间的能量传递中成立。

9.什么是温度场？什么是温度梯度？傅立叶定律指出热流密度与温度梯度成正比所反映的物理实质是什么？温度场是传热学研究的系统（物体）中各个点上的温度的集合，也称为温度在时间和空间上的分布，数学表达式为,这是对于直角坐标系而言。温度梯度是温度场中任意点上的温度在其法线方向上的变化率，它是一个矢量，方向为该点的法线方向，其大小就是该方向的变化率的绝对值。

热流密度与温度梯度成正比能反映出热量的传递是物体系统中能量分布不均匀或者不平衡的结果，因为这种不平衡导致温度分布的差异，而这种差异空间分布上越大，产生的热流密度也就越大。

10.导热系数和热扩散系数各自从什么地方产生？它们各自反映了物质的什么特性？并指出它们的差异导热系数是从傅立叶定律定义出来的一个物性量，它反映了物质的导热性能；热

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扩散系数是从导热微分方程式从定义出来的一个物性量，它反映了物质的热量扩散性能，也就是热流在物体内的渗透的快慢程度。两者的差异在于前者是导热过程的静态特性量，而或者则是导热过程的动态特性量，因而热扩散系数反映的是非稳态导热过程的特征。

6.对流换热是怎样的过程，热量如何传递的？对流：指流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递方式。对流仅能发生在流体中，而且必然伴随有导热现象。对流两大类：自然对流与强制对流。影响换热系数因素：流体的物性，换热表面的形状与布置，流速

7.何谓膜状凝结过程，不凝结气体是如何影响凝结换热过程的？蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，如果凝结液体能很好的润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜，这种凝结形式称为膜状凝结。不凝结气体对凝结换热过程的影响：在靠近液膜表面的蒸气侧，随着蒸气的凝结，蒸气分压力减小而不凝结气体的分压力增大。蒸气在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过聚集在界面附近的不凝结气体层。因此，不凝结气体层的存在增加了传递过程的阻力。 8.试以导热系数为定值，原来处于室温的无限大平壁因其一表面温度突然升高为某一定值而发生非稳态导热过程为例，说明过程中平壁内部温度变化的情况，着重指出几个典型阶段。首先是平壁中紧挨高温表面部分的温度很快上升，而其余部分则仍保持原来的温度，随着时间的推移，温度上升所波及的范围不断扩大，经历了一段时间后，平壁的其他部分的温度也缓慢上升。主要分为两个阶段：非正规状况阶段和正规状况阶段

9..灰体有什么主要特征？ 灰体的吸收率与哪些因素有关？灰体的主要特征是光谱吸收比与波长无关。灰体的吸收率恒等于同温度下的发射率，影响因素有：物体种类、表面温度和表面状况。

10.气体与一般固体比较其辐射特性有什么主要差别？气体辐射的主要特点是：（1）气体辐射对波长有选择性（2）气体辐射和吸收是在整个容积中进行的

11.说明平均传热温压得意义，在纯逆流或顺流时计算方法上有什么差别？平均传热温压就是在利用传热传热方程式来计算整个传热面上的热流量时，需要用到的整个传热面积上的平均温差。纯顺流和纯逆流时都可按对数平均温差计算式计算，只是取值有所不同。 12.边界层，边界层理论边界层理论：（1）流场可划分为主流区和边界层区。只有在边界层区考虑粘性对流动的影响，在主流区可视作理想流体流动。（2）边界层厚度远小于壁面尺寸 （3）边界层内流动状态分为层流与紊流，紊流边界层内紧靠壁面处仍有层流底层。

13.液体发生大容器饱和沸腾时，随着壁面过热度的增高，会出现哪几个换热规律不同的区域？这几个区域的换热分别有什么特点？为什么把热流密度的峰值称为烧毁点？分为四个区域：1、自然对流区，这个区域传热属于自然对流工况。2、核态沸腾区，换热特点：温压小、传热强。3、过度沸腾区：传热特点：热流密度随着温压的升高而降低，传热很不稳定。4、膜态沸腾区：传热特点：传热系数很小。由于超过热流密度的峰值可能会导致设备烧毁，所以热流密度的峰值也称为烧毁点。

14.阐述兰贝特定律的内容。说明什么是漫射表面？角系数具有哪三个性质？在什么情况下是一个纯几何因子，和两个表面的温度和黑度没有关系？兰贝特定律给出了黑体辐射能按空间方向的分布规律，它表明黑体单位面积辐射出去的能量在空间的不同方向分布是不均匀的，按空间纬度角的余弦规律变化：在垂直于该表面的方向最大，而与表面平行的方向为零。光谱吸收比与波长无关的表面称为漫射表面。角系数的三个性质：相对性、完整性、可加性。当满足两个条件：（1）所研究的表面是漫射的（2）在所研究表面的不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的。此时角系数是一个纯几何因子，和两个表面的温度和黑度没有关系。 15.试述气体辐射的基本特点。气体能当灰体来处理吗？请说明原因气体辐射的基本特点：（1）气体辐射对波长具有选择性（2）气体辐射和吸收是在整个容积中进行的。气体不能当做灰体来处理，因为气体辐射对波长具有选择性，而只有辐射与波长无关的物体才可以称为

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灰体。

16.试说明管槽内强制对流换热的入口效应。流体在管内流动过程中，随着流体在管内流动局部表面传热系数如何变化的？外掠单管的流动与管内的流动有什么不同管槽内强制对流换热的入口效应：入口段由于热边界层较薄而具有比较充分的发展段高的表面传热系数。入口段的热边界层较薄，局部表面传热系数较高，且沿着主流方向逐渐降低。充分发展段的局部表面传热系数较低。外掠单管流动的特点：边界层分离、发生绕流脱体而产生回流、漩涡和涡束。

18.为什么在给圆管加保温材料的时候需要考虑临界热绝缘直径的问题而平壁不需要考虑？圆管外敷设保温层同时具有减小表面对流传热热阻及增加导热热阻两种相反的作用，在这两种作用下会存在一个散热量的最大值，，在此时的圆管外径就是临界绝缘直径。而平壁不存在这样的问题。

20.试分析大空间饱和沸腾和凝结两种情况下，如果存在少量不凝性气体会对传热效果分别产生什么影响？原因？对于凝结，蒸气中的不可凝结气体会降低表面传热系数，因为在靠近液膜表面的蒸气侧，随着蒸气的凝结，蒸气分压力减小而不凝结气体的分压力增大。蒸气在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过聚集在界面附近的不凝结气体层。因此，不凝结气体层的存在增加了传递过程的阻力。大空间饱和沸腾过程中，溶解于液体中的不凝结气体会使沸腾传热得到某种强化，这是因为，随着工作液体温度的升高，不凝结气体会从液体中逸出，使壁面附近的微小凹坑得以活化，成为汽泡的胚芽，从而使q~Δt沸腾曲线向着Δt减小的方向移动，即在相同的Δt下产生更高的热流密度，强化了传热。

22.请说明Nu、Bi的物理意义，Bi趋于0和趋于无穷时各代表什么样的换热条件？Nu数表明壁面上流体的无量纲温度梯度Bi表明固体内部导热热阻与界面上换热热阻之比Bi趋于0时平板内部导热热阻几乎可以忽略，因而任一时刻平板中各点的温度接近均匀，并随着时间的推移整体的下降，逐渐趋近于外界温度。Bi趋于无穷时，表面的对流换热热阻几乎可以忽略，因而过程一开始平板的表面温度就被冷却到外界温度，随着时间的推移，平板内部各点的温度逐渐下降而趋近于外界温度。

25.强化沸腾的方法强化沸腾的方法：1、强化大容器沸腾的表面结构，2、强化管内沸腾的表面结构。 一、 概念题

1、试分析室内暖气片的散热过程，各个环节有哪些热量传递方式？以暖气片管内走热水为例。

答：有以下换热环节及传热方式：

（1） 由热水到暖气片管道内壁，热传递方式为强制对流换热； （2） 由暖气片管道内壁到外壁，热传递方式为固体导热；

（3） 由暖气片管道外壁到室内空气，热传递方式有自然对流换热和辐射换热。

2、试分析冬季建筑室内空气与室外空气通过墙壁的换热过程，各个环节有哪些热量传递方式？

答：有以下换热环节及传热方式：

（1） 室内空气到墙体内壁，热传递方式为自然对流换热和辐射换热； （2） 墙的内壁到外壁，热传递方式为固体导热；

（3） 墙的外壁到室外空气，热传递方式有对流换热和辐射换热。 3、何谓非稳态导热的正规阶段？写出其主要特点。

答：物体在加热或冷却过程中，物体内各处温度随时间的变化率具有一定的规律，物体初始温度分布的影响逐渐消失，这个阶段称为非稳态导热的正规阶段。 4、分别写出Nu、Re、Pr、Bi数的表达式，并说明其物理意义。

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