南昌大学 2013～2014学年第一学期期中考试试卷1. 内燃机气缸壁厚8mm δ=,热导率50/(.)w W m K λ=,燃气与气缸内表面的对流换热系数2600/(.)ci h w m K =,辐射传热系数230/(.)ri h w m K = ,汽缸壁外表面与冷却水的对流传热系数21800/(.)o h w m K =。
设内燃机气缸壁可近似为平壁，试计算内燃机气缸壁传热的总热阻t R 。
运行一段时间后，冷却水侧结了1mm 厚的水垢，水垢的热导率2/(.)f W m K λ=，试估算由于水垢引起的总热阻的相对变化。
(15分)答:（1）无水垢时：11()10.00810.0023/(60030)150118001W t i w o ci ri W o R R R R h h A A h AK Wδλ=++=+++=++=+⨯⨯⨯ （7分）（2）有水垢时：11()10.0080.00110.0028/(60030)150********f W t i w f o ci ri W f o R R R R R h h A A A h AK Wδδλλ'=+++=++++=+++=+⨯⨯⨯⨯ （6分）（3）总热阻的相对增加：0.00280.002321.86%0.0023t t t R R R '--==（2分） 2.由导热微分方程的一般形式如下：()()()v t t t tcq x x y y z zρλλλτ∂∂∂∂∂∂∂=+++∂∂∂∂∂∂∂ 简述上面方程中各项的物理意义。
（2）将其简化成二维、非稳态、无内热源常物性的导热微分方程。
（8分）答:（1）tcρτ∂∂：微元体热力学能的增量 ()()()t t tx x y y z zλλλ∂∂∂∂∂∂++∂∂∂∂∂∂：微元体从X,Y,Z 三个方向导入微元体的总热流量v q ：微元体内热源的生成热（3分） （2）()0tz zλ∂∂=∂∂ 0v q = 2222t t t c x yρλλτ∂∂∂=+∂∂∂ (3分)3. 一块大平板，厚度10cm δ=，有内热源∙Φ，平板中的一维稳态温度分布为2t b cx =+，式中100b =，2100/c K m =-。
假定平板的导热系数80/(.)W m K λ=，试确定：(1)平板中内热源∙Φ之值；(2) 0x =和x δ=边界处的热流密度。
（15分）答:(1) 直角坐标中常物性、有内热源的一维稳态导热微分方程式为022=λ+∙Φdx t d （5分） ∴ 243222(100)80 1.610(W/m )d t Φc dxλλ∙=-=-=-⨯-⨯=⨯……………..(5分)(2) 根据傅里叶定律和给定的平板温度分布，可得000=-===x x dxdt λq ∴ x =0处绝热………………………..(5分)2222(100)8010101600(W/m )x x dtq λc δdx δδλ-===-=-=-⨯-⨯⨯⨯=(5分)4. 一块初温为20℃、厚10cm 的钢板，热导率为80/(.)W m K ，密度为37800/kg m ，比热容为460/(.)J kg K ，放入800C 的加热炉中加热，表面传热系数为2500/(.)W m K 。
问单面加热20min 时的中心温度为多少？如两面加热，要达到相同的中心温度需要多少时间？（12分）答：（1）单面加热：单面加热相当于一块厚为20cm 的钢板两面对称加热，0.1l m δ==。
题给钢板的中心处相当于50.510xδ== （1分）热扩散率为：5280 2.2310/7800460a m s c λρ-===⨯⨯ （1分） 参量50222.23102060 2.6760.1a F l τ-⨯⨯⨯=== （1分）1801.65000.1i B hl λ===⨯(1分)查表得:0.25m θθ= , 0.86m θθ=(2分)则钢板中心的相对过余温度为:000.860.250.215m mθθθθθθ==⨯=(1分) 钢板的中心温度为:00.215()8000.215(20800)632.3m t t t t C ∞∞=+⨯-=+⨯-= (1分)(2)两面加热: 相当于一块厚为10cm 的钢板两面对称加热，0.05l m δ==。
(1分)180 3.25000.05i B hl λ===⨯(1分) 中心过余温度为:0.25mθθ=(1分) 查表得05F =(1分)两面加热，要达到相同的中心温度需要时间:220550.05560.59.34min 2.2310F l s a τ-⨯====⨯(1分) 5. 简述Nu Bi 数和数的定义式及物理意义。
两者有何区别?（8分）答: 虽然两者都表示边界上的无量纲温度梯度, i hlB λ=，u hlN λ=（4分） 但一个在流体侧,一个在固体侧。
u N 中的L 为流场的特征尺寸，λ为流体的导热系数。
i B 中的L为固体系统的特征尺寸，λ为固体的导热系数。
（4分）6．对于管内强制对流换热，可以采用何种方式强化流体的换热？为什么？（10分）答:可通过长管改为分段的短管或者采用螺旋管都可以强化流体的换热.(4分)因为长管改为分段的短管应考虑入口效应,其对流换热系数更大.采用螺旋管,在横截面上引起二次环流也强化换热.(6分)7. 20C 空气在常压下以2/m s 的速度流过平板，平板长为300mm 。
若平板温度为60C ，试求空气流离开平板时，平板单位宽度的总放热量。
（12分） 答(1)特征温度:11()(6020)4022m f w t t t C =+=⨯+=︒ (2分)据此查得:32621.128/, 2.7610/(),16.9610/,Pr 0.699kg m W m K v m s ρλ--==⨯⋅=⨯=(1分)(2)雷诺数: 5620.335377.451016.9610e ulR ν-⨯===<⨯⨯ (2分)属于层流.(1分) (3)对流换热系数:1/21/31/21/30.6640.66435377.40.669109.23u e rN R P ==⨯⨯=(2分) 22109.23 2.761010.05/()0.3u N h W m K l λ-⨯⨯===⋅(2分)（4）所需管长为：()10.0510.3(6020)120.6w f hl t t wΦ=-=⨯⨯⨯-=(2分)8. 空气横向掠过12排管子组成的叉排加热器，管外径d=25mm ，管间距S 1=50mm ，S 2=45mm ，管束的最窄截面处流速u=5m/s ，空气平均温度f t =60℃，管壁温度为120℃，试求管束平均换热系数。
如管束改为顺排，其他条件不变，则换热系数为多少？（12分）答(1) 叉排时：特征温度:60f t C =︒ 据此查得:32621.06/, 2.910/(),18.9710/,Pr 0.696,Pr 0.686f w kg m W m K v m s ρλ--==⨯⋅=⨯==(2分) 雷诺数: 650.0256589.3518.9710e udR ν-⨯===⨯ (2分)对流换热系数:1250 1.11245s s ==<0.250.250.20.60.360.20.60.36120.6960.350.35 1.116589.350.69661.570.686rf uf ef r rw s P N R P P s ⎛⎫⎛⎫⎛⎫==⨯⨯⨯⨯= ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭(2分) 查的12排的修正系数为0.9862261.57 2.9100.98670.42/()0.025uf N h W m K d ψλε-⨯⨯=⨯=⨯=⋅(2分)（2）顺排：0.250.250.630.360.630.360.6960.270.276589.350.69660.550.686rf uf efrrw P N R P P ⎛⎫⎛⎫==⨯⨯⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ (2分)查的12排的修正系数为0.9872260.55 2.9100.98769.32/()0.025uf N h W m K d ψλε-⨯⨯=⨯=⨯=⋅(2分)9. 不凝结气体含量如何影响了蒸汽凝结时的对流换热系数值？其影响程度如何？凝汽器如何解决这个问题？（8分）答：（1 ）因在工业凝汽器设备的凝结温度下，蒸汽中所含有的空气等气体是不会凝结的，故称这些气体成分为不凝结气体。
当蒸汽凝结时，不凝结气体聚积在液膜附近，形成不凝结气体层，远处的蒸汽在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过这个气体层，这就使凝结换热过程增加了一个热阻，即气相热阻，所以对流换热系数降低。
（4分）（2）在一般冷凝温差下，当不凝结气体含量为1%时，换热系数将只达纯净蒸汽的40%左右，后果是很严重的。
（2分），（3）这是凝汽器必须装设抽气器的主要原因之一。
（2分）。