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方腔内液态金属钠自然对流换热特性数值分析曾和义;董化平;郭赟【摘要】对方腔内液态金属钠层流自然对流换热过程进行了数值模拟,着重分析了不同热边界条件下瑞利数对方腔自然对流换热过程的影响,得到了腔体局部换热系数分布特点及规律.结果表明,当瑞利数较大时,如大于103,瑞利数对方腔内液态金属钠自然对流换热过程的影响非常显著.随着瑞利数逐渐减小,无论是腔体侧边换热系数,还是腔体底边换热系数,均与纯导热情况下计算结果间的偏差逐渐减小,表明腔内换热机理逐渐以导热过程为主.%The numerical simulation was performed on liquid sodium laminar natural convection in square cavity. The distribution characteristics of heat transfer coefficient were obtained, and the effect was emphasized on the analysis of the impact of Rayleigh number upon the natural convective heat transfer process in a square cavity under different thermal boundary conditions. The results show that the liquid sodium natural heat transfer process is greatly influenced by the Rayleigh number when Rayleigh number is large enough. While when Rayleigh number is smaller than, say 103, the distributions of natural convective heat transfer coefficients on both the side walls and the bottom wall of the square cavity are almost the same as those of conductive heat transferprocess, respectively. This means that the mechanisms of heat transfer process mainlydepend on heat conduction under cases with lower Rayleigh number.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2012(046)003【总页数】5页(P305-309)【关键词】液态金属钠;方腔;自然对流换热;数值模拟【作者】曾和义;董化平;郭赟【作者单位】哈尔滨工程大学核科学与技术学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室,黑龙江哈尔滨150001;中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室,四川成都610041;哈尔滨工程大学核科学与技术学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TL331以自然循环为机理的非能动安全技术可极大提高核电站的安全性。
低温余热回收方式及其适用性刘涛;宣永梅【摘要】分析了30～50℃、50～200℃、200～300℃三个温度范围的余热来源,以及不同温度梯度的余热资源的合理利用形式.根据“温度对口,梯级利用”的原则,分析了低温余热资源分别在热泵、余热制冷技术、低温有机朗肯循环中的应用及优缺点.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2013(041)005【总页数】3页(P183-185)【关键词】低温余热;温度梯度;利用方式【作者】刘涛;宣永梅【作者单位】西安工程大学环境与化学工程学院,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TK11+5据统计，我国工业余热的回收率仅34.9%［1］，而低温余热资源由于回收难度大、初投资高、可用能低等因素导致回收效率更低。
因此，如何将这些不同品味的余热源加以回收合理的填补工业生产过程中消耗的能源已经成为国内外研究的热点。
比如徐文豪等［2］将低温余热用于管线伴热，麋华等［3］发明了一种蒸汽双效溴化锂吸收式制冷机组吸收低温余热制冷，天津大学将共沸点混合工质螺杆式双循环膨胀机用于回收低温热源［4－5］。
国外以色列奥玛特公司通过螺杆膨胀机利用90℃左右的载热流体发电，取得一定的成果。
美国、日本和俄罗斯等也建成一些低温余热发电站［6］。
本文将低温余热按照温度分为三个梯度，按照“温度对口，梯级利用”原则来合理利用低温余热资源。
1 低温余热资源的特点通常根据温度梯度将余热资源划分成为低温余热资源、中温余热资源和高温余热资源。
在工业领域中，一般低温余热指的是200℃以下的工艺生产过程产生的余热气、冷凝水、热水;300℃以下的气体以及400～450℃以下的锅炉、工业加热炉的排烟气等热量。
石化企业将一般将温度低于120℃或130℃ 的剩余工艺热量统称为低温余热［7－8］。
余热的来源十分的广泛，按照来源可以分为:烟气余热，冷却介质余热，废水废气余热，化学反应余热，高温产品与炉渣余热，以及可燃废气、废料余热［9－10］。
图7为不同C风风率下燃尽率的变化曲线。
从图中可以看到,随着C风风率的减小燃尽率不断降低。
这是因为随着C风风率的减小,炉内回流区减小,拱上气流下冲深度减小,部分煤粉停留时间变短,而煤粉的着火距离变长,从而使得燃尽率降低。
另一方面由于C风风率的减小,使得空气分级程度增加,因而燃尽率降低。
4结论本文利用数值模拟的方法,研究了某低N O x燃烧新系统W 火焰锅炉的C风风率对燃烧特性及N O排放特性的影响。
得到的主要结论有:4.1随着C风风率的减小,对煤粉气流的托举作用减弱,拱上气流下冲深度减小,炉内燃烧剧烈程度减弱使得温度水平降低。
4.2随着C风风率的减小,空气分级程度增加,主燃烧区的氧含量降低,还原性气氛增强;且炉内温度水平降低,均有利于降低N O排放量。
4.3C风风率对煤粉燃尽率有较大的影响;随着C风风率的降低,炉内回流区减小,部分煤粉停留时间变短,而煤粉的着火距离变长,使得煤粉燃尽率不断降低。
参考文献[1]任枫.FW型W火焰锅炉高效低NO x燃烧技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.[2]赵斯楠,方庆艳,马仑,陈刚.燃烧初期化学当量比对锅炉NOx 生成与排放特性的影响[J].燃烧科学与技术,2017,23(03):236-241.[3]Ma L,Fang Q,Tan P,et al.Effect of the separated overfire air location on the combustion optimization and NOx reduction of a600MWe FW down-fired utility boiler with a novel combustion system[J].Applied Energy,2016,180:104-115.[4]马仑,方庆艳,张成,陈刚,吕当振,段学农.600MW W型火焰锅炉拱上二次风低NO x燃烧特性的数值模拟及优化[J].燃烧科学与技术,2016,22(01):64-70.[5]周安鹂.W火焰锅炉无烟煤掺烧煤泥的试验与数值模拟[D].武汉:华中科技大学,2019.[6]吕当振,马仑,段学农,方庆艳.600MW亚临界W型火焰锅炉低氮燃烧特性数值模拟[J].热能动力工程,2015,30(04):598-604+ 654-655.作者简介:周安鹂(1993,4-),女,籍贯:湖北襄阳,硕士,助教,研究方向:电力生产技术、节能减排技术、电气自动化。
非轴对称环形柱状封闭空腔内自然对流
的实验研究
作者：冷学礼， 程林， 马骏
作者单位：冷学礼,程林(山东大学能源与动力工程学院(济南))， 马骏(山东电力工程咨询院(济南))
1.董稹.童明伟.DONG Zhen.TONG Ming-wei柱形液池内的均匀内热源液体温度分布研究[期刊论文]-应用能源技术2006(5)
2.杜艳平.屈治国.徐会金.赵长颖.陶文铨金属泡沫部分填充的圆柱封闭腔中自然对流数值模拟[会议论文]-2009
3.陈玉阳.苑中显.马重芳.俞坚.汪茂海.吴仲善.卢伟.周志远旋转射流复合强化传热的液晶显示实验研究[会议论文]-2002
4.李娜.李志信.过增元封闭空间内小尺度等温竖板自然对流的三维效应[会议论文]-2002
5.张丽春.马同泽.张正芳.葛新石微槽平板热管传热性能的实验研究[会议论文]-2002
6.戴闻亭.李俊明.王补宣.陈骁细圆管内纳米颗粒悬浮液对流换热的实验研究[会议论文]-2002
7.王冰.舒继武.王金照.陈民热物理问题的MD并行计算[会议论文]-2002
8.赵耀华.胡学功利用毛细力驱动的微槽蒸发器内流动与传热的数值模拟[会议论文]-2002
9.周俊杰.李光熙.屈治国.陶文铨辐射型开缝翅片的三维数值模拟及场协同原理的分析[会议论文]-2002
10.王刚.曾敏.黄自鹏.王秋旺.罗来勤部分充满内热源多孔介质的封闭方腔内自然对流的数值模拟[会议论文]-
引用本文格式：冷学礼.程林.马骏非轴对称环形柱状封闭空腔内自然对流
的实验研究[会议论文] 2002。
2021年内蒙古自治区鄂尔多斯市暖通专业综合试题及答案学校:________ 班级:________ 姓名:________ 考号:________一、填空题(10题)1.空调区正压一般用（）测量。
2.动工具的电源引线，其中黄绿双色线应作为（）使用。
3.氯化锂转轮除湿机由（）、（）、（）和（）组成．4.一个标准大气压为（）毫米汞柱。
5.空气净化分为一般净化（）、（）。
6.物体表面受到的垂直作用力称为_________。
7.控制制冷剂流量的设备有（）、（）、（）。
8.按使用制冷剂分类，一般分为（）和（）两种。
9.允许采用自然排烟的条件和建筑的部位有哪些？10.配电柜母线的颜色顺序为________。
二、简答题(10题)11.常用气相污染物处理方法或装置有哪些？12.湿空气的成分是什么？13.露点温度的确定方法有哪几种？14.如何选用电动机的热继电器？其现两种接入方式是什么？15.螺杆式压缩机有什么缺点？16.风机采用变频器有何目的？17.室外空气综合温度的物理意义及其变化特征是什么？18.表面冷却器处理过程是怎样的？19.蒸发器怎样分类？20.常见的金属热电阻有（）和（）。
参考答案1.微压计2.保护接地线3.除湿转轮；传动机械；外壳风机；电加热器4.7605.中等净化；超级净化6.压力7.热力膨胀阀；毛细管；浮球阀8.氨压缩机；氟利昂压缩机9.根据《 高层民用建筑设计防火规范》（GB5004595，2023版）规定，满足下列条件的建筑部位允许采用自然排烟方式：①防烟楼梯间前室、消防电梯间前室可开启外窗面积不应小于 2.00m2，合用前室不小于3.00m2。
②靠外墙防烟楼梯间每五层内有可开启外窗总面积之和不小于2.00m2。
③长度不超过60m的内走道可开启外窗面积不应小于走道面积的2%。
④需要排烟的房间可开启外窗面积不应小于该房间面积的2%。
⑤净空高度小于12m的中庭可开启的天窗或高侧窗的面积不应小于该中庭地面积的5%。
传热学部分习题答案（第五版）教材p8冰雹落在地上后，慢慢融化。
试着分析一下，尽管熔化所需的热量是通过什么方式获得的？答：共有3个途径：（1）冰雹与地面接触处的热传导；（2）冰雹表面与周围空气之间的热对流和热传导（对流换热）；（3）冰雹表面和周围固体表面的热辐射。
4.现在冬季室内供暖可以采用多种方法。
就你所知试分析每一种供暖方法为人们提供热量的主要传热方式是什么?填写在各箭头上。
答复:暖气片：暖气片内的蒸汽或热水对流换热暖气片内壁导热暖气片外壁⑴对流换热室内空气对流换热人体；暖气片外壁⑵热辐射墙壁热辐射人体。
电加热散热器：电加热后的油对流换热、散热器内壁的热传导、散热器外壁的对流换热、室内空气对人体的对流换热。
红外电热器：红外电热元件⑴热辐射人体；红外电热元件⑵热辐射墙壁热辐射人体。
电加热器：电加热器对流换热加热风对流换热人体。
冷暖两用空调（加热时）：加热空气对流传热人体。
太阳辐射：太阳热辐射人体。
6.夏季在维持20℃的室内，穿单衣感到舒服，而冬季在保持同样温度的室内却必须穿绒衣，试从传热的观点分析其原因?冬季挂上窗帘布后顿觉暖和，原因又何在？答：人体衣服表面散热有两种方式：一种是通过对流换热将热量散发到周围空气中；二是通过热辐射将热量散发到周围墙面。
为了保暖，冬季室内空气的温度必须与夏季相同，但冬季墙体的温度必须与夏季相同。
冬季挂上窗帘减少了通过窗户的热辐射散热，因此人感觉暖和。
9.一般来说，保温瓶内衬为真空玻璃夹层，两侧镀银。
为什么它能长期保持热水的温度？并分析热水的热量是如何通过胆汁壁传递到外部世界的？在什么情况下，绝缘性能会变得非常差？答：保温瓶胆为真空玻璃夹层，其目的是保证夹层散热方式仅是热辐射而没有对流换热方式，同时夹层内两测镀银是为了提高表面反射率，以降低热辐射散热，因此保温瓶可以较长时间地保持热水温度。
热水散热方式：热水对流换热内衬内壁面、导热内衬外壁面⑴ 内衬的热辐射内墙面、内衬的热传导外墙面、流动换热室内空气；衬里外壁（2）对流换热夹层空气对流换热外胆内壁面导热外胆外壁面对流换热室内空气。
封闭方腔自然对流传热的场协同分析云和明;张华伟;邱卫国【摘要】文章采用有限元方法数值研究了封闭方腔自然对流传热问题，并基于场协同理论分析了速度场与温度梯度场的协同关系，进一步深层次分析了协同角场同速度场、温度场、温度梯度场之间的协同关系，展示了不同瑞利数下方腔自然对流速度场和温度梯度的协同效果，着重探讨了各物理场对封闭方腔协同角的影响规律，同时表明以协同角为评价指标，可有助于改善局部的传热效果，从而深层次理解强化自然对流传热的机理，为实际工程的传热强化提供了理论依据。
%The natural convection heat transfer has been studied numerically by using finite element method. Field synergy theory has been used to analyze the synergy between the velocity field and the temperature gradient field. The synergy between the synergy angle and velocity field, temperature field, temperature gradient field has been discussed deeply, which shows the synergistic effect of velocity field and temperature field in closed square cavity with different Rayleigh numbers. The influence mechanism on synergy angle caused by various physical field has been focused to discuss. At the same time synergy angle can be used as evaluation index of heat transfer enhancement, which can help to improve the local heat transfer effect and understand the mechanism of heat transfer enhancement of natural convection.【期刊名称】《齐鲁师范学院学报》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】7页(P106-112)【关键词】自然对流;场协同;温度梯度【作者】云和明;张华伟;邱卫国【作者单位】山东建筑大学热能工程学院，山东济南 250101;山东艺术学院后勤管理处，山东济南 250014;山东建筑大学热能工程学院，山东济南 250101【正文语种】中文【中图分类】TK124封闭空腔内的自然对流换热问题是计算传热学里的经典问题，其所描述的现象在很多工程实践中经常遇到，因此精确分析各种条件下封闭空腔内的自然对流换热效果极具实用和研究意义。
传热学第四版第⼀章第⼀章1-1夏天的早晨，⼀个⼤学⽣离开宿舍时的温度为20℃。
他希望晚上回到房间时的温度能够低⼀些，于是早上离开时紧闭门窗，并打开了⼀个功率为15W 的电风扇，该房间的长、宽、⾼分别为5m 、3m 、2.5m 。
如果该⼤学⽣10h 以后回来，试估算房间的平均温度是多少？解：因关闭门窗户后，相当于隔绝了房间内外的热交换，但是电风扇要在房间内做⼯产⽣热量：为全部被房间的空⽓吸收⽽升温，空⽓在20℃时的⽐热为：1.005KJ/Kg.K,密度为1.205Kg/m 3,所以当他回来时房间的温度近似为32℃。
1-2理发吹风器的结构⽰意图如附图所⽰，风道的流通⾯积，进⼊吹风器的空⽓压⼒，温度℃。
要求吹风器出⼝的空⽓温度℃，试确定流过吹风器的空⽓的质量流量以及吹风器出⼝的空⽓平均速度。
电加热器的功率为1500W 。
解：1-3淋浴器的喷头正常⼯作时的供⽔量⼀般为每分钟。
冷⽔通过电热器从15℃被加热到43℃。
试问电热器的加热功率是多少？为了节省能源，有⼈提出可以将⽤过后的热⽔（温度为38℃）送⼊⼀个换热器去加热进⼊淋浴器的冷⽔。
如果该换热器能将冷⽔加热到27℃，试计算采⽤余热回收换热器后洗澡15min 可以节省多少能源？解：1-4对于附图所⽰的两种⽔平夹层，试分析冷、热表⾯间热量交换的⽅式有何不同？如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采⽤哪⼀种布置？解：（a ）中热量交换的⽅式主要为热传导。
（b ）热量交换的⽅式主要有热传导和⾃然对流。
所以如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采⽤（a ）布置。
1-5 ⼀个内部发热的圆球悬挂于室内，对于附图所⽰的三种情况，试分析：（1）圆球表⾯散热的⽅式；（2）圆球表⾯与空⽓之间的换热⽅式。
解：（2）圆球为表⾯传热⽅式散热。
（1）换热⽅式：（a ）⾃然对流换热；（b ）⾃然对流与强制对流换热相当的过渡流传热；（c ）强制对流换热；1-6 ⼀宇宙飞船的外形⽰于附图中，其中外遮光罩是凸出于飞船体之外的⼀个光学窗⼝，其表⾯的温度状态直接影响到飞船的光学遥感器。
空气导管对飞机密闭空间传热流动的影响施红;蒋彦龙;钟伟;彭莹;蔡玉飞【摘要】在分析高温高压空气导管作用下飞机货舱三角区内的空气传热和流动机制的基础上,采用数值计算方法对舱内空气的导热-辐射-对流耦合换热问题进行研究,考察了空气导管布置位置、导管管径和辐射对传热流动特性的影响.研究结果表明:舱内空气传热和流动受空气导管在垂直方向上的位置变化影响较大；当导管布置位置在水平方向上变化时,仅对温度场影响较大,而对流动强度的影响较小；随着导管直径的增加,空气导管与舱内空气的总换热量增加,舱内各处空气的温度也随之升高,相应的自然对流强度减弱；辐射传热会减小空气导管与货舱三角区壁面之间的换热温差,增加总的换热量,并且削弱自然对流的强度.%Based on the analysis of the heat transfer and flow mechanism of cabin air outside the high temperature pneumatic duct, a numerical simulation is conducted to solve the complex heat transfer problem with combined convection, conduction and radiation. The influence of factors, such as the duct position, the duct diameter and the radiation heat transfer on the temperature and flow distribution are investigated. The results show that the duct with up and down locations has a dramatic effect on the thermal and flow performance while the duct with left and right locations has strong effect on the thermal behaviors and little effect on the flow intensity. The total heat transfer and the temperature of the cabin air increase with the increasing diameter while the flow intensity decreases with the increasing diameter. The radiation heat transfer decreases the difference between the walls and the flow intensity of the cabin air while it increases the total heat transfer.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2012(044)003【总页数】7页(P313-319)【关键词】温度场和流场;数值模拟;空气导管;飞机【作者】施红;蒋彦龙;钟伟;彭莹;蔡玉飞【作者单位】南京航空航天大学航空宇航学院南京 210016;南京航空航天大学航空宇航学院南京 210016;南京航空航天大学航空宇航学院南京 210016;南京航空航天大学航空宇航学院南京 210016;南京航空航天大学航空宇航学院南京210016【正文语种】中文【中图分类】V229.5大型客机空气管理系统主要包括引气、座舱压力和温度调节、空气分配、发动机和机翼防冰等子系统,各系统通过空气导管进行交联。
水平圆管在大空间内自然对流换热的实验与数值分析李庆领;杨广志;李涛【摘要】By means of combining experiment with numerical computation, the heat exchange process with natural convection over horizontal circular pipe in large space was investigated It was found by the experiment that the heat exchange coefficient would increase with the temperature rising on the outersur-face of the pipe. Experimental correlation of natural convection heat exchange was fitted by using experimental data. The natural convection heat transfer of horizontal circular pipe was numerically analyzed on the platform of Fluent The result showed that the intensity of the natural convection heat exchange would be decided by the temperature difference between pipe wall and ambient air; the bigger the temperature difference was the faster the natural convection flow is and the bigger the maximum flowing velocity would be. The continual rising airflow would be formed around the pipe, which was drived by the uplift due to the temperature differences.%通过实验与数值计算相结合的方法,对大空间水平圆管的自然对流换热过程进行研究.实验得出圆管自然对流换热系数随管壁温度的升高而增大,并拟合了实验条件下的自然对流换热实验关联武.以Fluent为平台,对水平圆管在大空间内的自然对流换热进行数值分析.结果表明,自然对流换热强弱取决于圆管壁面与周围流体温差的大小,温差越大,自然对流流动发展越快,最大流速越大,圆管周围空气在温差产生的浮升力驱动下形成不断上升的气流.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2013(039)002【总页数】4页(P43-46)【关键词】水平圆管;自然对流换热;Fluent;数值模拟【作者】李庆领;杨广志;李涛【作者单位】青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061【正文语种】中文【中图分类】TK124大空间内水平圆管外表面的自然对流换热是日常生活与工业生产中普遍存在的现象，国内外学者针对这一问题进行了大量的研究，李远涛［1］对水平圆管自然对流换热进行了实验和数值模拟研究，对比并得出了最佳的经验公式，分析了自然对流换热流场与温度场的影响因素；王晓云［2］通过实验分析了辐射传热在水平圆管自然对流换热中的比重以及圆管周围的温度分布情况；朱进容［3］基于激光横向剪切干涉测试装置研究了大空间水平恒温圆管的自然对流换热，拟合出新的平均努赛尔数准则关系式，并通过Fluent对二维和三维水平圆管自然对流换热进行了数值模拟分析.对于水平圆管自然对流换热的研究，主要以实验分析与解析计算为研究手段，随着计算机技术的发展，仿真模拟逐渐成为了研究自然对流换热的主要手段，但模拟分析往往只是给出模拟结果，缺少对整个对流换热过程的直观表达，因此本文运用实验与模拟相结合的分析方法，借助模拟软件，通过模拟结果云图直观的分析了大空间水平圆管自然对流换热气流流场发展过程.1 自然对流换热实验1.1 实验设备与方法外径50 mm，厚度10 mm，长1 400 mm的钢管；DALLAS 18B20型温度传感器；实验装置简图如图1所示.图1 水平圆管自然对流实验装置简图Fig.1 Schematic diagram of experimental facility for natural convection heat exchange over horizontal circular pipe 实验在封闭大空间室内进行，实验圆管上共设置6个温度传感器焊点，考虑到电加热管可能存在加热不均匀或偏心等情况，焊点分别在轴向等距分布，同时在圆周方向等角度分布，分布情况见图1.实验在8个不同的加热功率下进行，每个加热功率下持续加热6 h，当水平圆管上6个测温点测得的温度稳定不再变化时记录温度值.1.2 实验数据计算1.2.1 自然对流换热系数的计算实验时室内温度为290.5 K，实验所测的圆管管壁温度见表1.表1 不同加热功率下的管壁温度Tab.1 Temperatures of pipe wall heated with different heating powers加热电压／V加热功率／W实验测量温度／K T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6平均测量温度／K 30 10.5 295.1 296.1 295.9 295.6 295.8 295.6 295.7 50 30.0 303.1 304.2 303.6 303.4 303.7 303.3 303.6 80 74.4 315.7 316.3 316.0 315.9 316.1 315.7 316.0 100 121.0 326.2 327.1 326.6 326.3 326.5 326.6 326.6 125 190.0 341.7 342.2 342.0 342.1 342.3 341.9 342.0 150 256.5 355.8 356.7 356.2 356.2 356.6 356.4 356.3 170 334.6 371.2 371.9 372.5 373.7 374.3 373.9 372.9 190 439.7 392.2 393.3 394.2 393.8 394.0 393.9 393.6根据大空间水平圆管自然对流换热的计算公式得到了实验条件下空气的自然对流换热系数随温度的变化规律，如图2所示.图2中空气的自然对流换热系数随着圆管壁面温度的升高而逐渐增大，但前段的自然对流换热系数的增长幅度要远大于后段.因为在管壁温度较低时，固体管壁与周围空气之间温差较小，自然对流换热较弱.又由于圆管表面氧化严重，黑度较大，在小温差条件下辐射换热所占比重较大，但随着管壁温度的升高，管壁与周围空气之间的温差不断变大，自然对流换热也逐渐成为主要的换热方式.图2 空气的自然对流换热系数随管壁温度变化曲线Fig.2 Variation of natural convection heat exchange coefficients vs pipe wall temperature1.2.2 实验关联式的拟合根据相似原理，对流换热的实验数据应表示成相似准则数之间的函数关系.根据实验数据计算得到的瑞利数Ra的数值范围摘选了2个已有研究得到的实验关联式［4-5］进行对比分析：公式中的格拉晓夫数Gr与普朗特数Pr均根据本实验获得数据计算，以不同管壁温度下的瑞利数Ra为横坐标绘制了不同实验关联式下努塞尔特数随瑞利数变化的曲线，如图3所示.图3 不同实验关联式时努塞尔特数随瑞利数的变化曲线Fig.3 Variation of Nusselt number with Rayliegh number in case of different experimental correlativity计算对比发现，不同实验关联式计算结果之间存在不同程度的偏差.分析认为是由于实验条件的限制、计算的误差以及对定性参数的选择不同，使得所得到的实验关联式针对性较强，很难获得统一的实验关联式.由于上述公式不能准确地表征本实验的自然对流换热特性，因此根据实验数据拟合得到了适合本实验瑞利数范围的大空间水平圆管自然对流换热的实验关联式：2 大空间水平圆管自然对流换热的数值分析2.1 自然对流换热问题的数学描述自然对流换热是较复杂的过程，为了简化分析，首先对模型进行了假设：1）流动为二维流动；2）流体为不可压流体；3）流体为常物性，并且无内热源；4）忽略黏性耗散产生的耗散热.因此得到的自然对流控制方程式为［4，6］：质量守恒方程：动量守恒方程：能量守恒方程：2.2 几何模型的建立与数值模拟过程通过ICEM CFD建立了数值模拟的二维几何模型.模型为宽200 mm，高1 000 mm的矩形，圆管直径为50 mm，位于中心位置，网格划分结果如图4所示.图4 几何模型的网格划分Fig.4 Meshing of geometric model实际情况下，自然对流是由于温度差引起密度差从而产生浮升力推动空气运动的现象，实质属于可压缩流动.但在Fluent中对于温差较小的流动分析，气体模型采用Boussinesq近似便可得到较好的模拟结果.Boussinesq近似是将动量方程中浮力项中的密度定义为时间的函数ρ＝ρ0［ 1-β（t- t 0）］，而能量与质量方程中的密度则视为常量［7］.圆管管壁为恒壁温边界条件，由于瑞利数范围在105左右，因此时间步长取0.000 1即可.2.3 数值模拟结果与分析2.3.1 温差对自然对流换热的影响分析通过Fluent模拟了不同实验壁温下的自然对流换热，在模拟结果中计算了努赛尔特数，如图5所示.与实验计算得到的努赛尔数相比，在温差较小时实验结果与模拟结果相差较小，但温差大于40 K时，模拟结果较实验结果有所偏差，说明Boussinesq近似在小温差下能够得到较为准确的结果，在大温差下模拟结果与实际结果稍有差异，但所建立的模型能够准确表征水平圆管的自然对流换热.图5 实验与模拟得到的努赛尔数Fig.5 Nusselt number obtained from experiment and numerical simulation模拟结果选择了管壁温度不同但自然对流流动发展时间相同的两个壁温条件下，圆管上方空气在y方向上的速度分布云图作为对比对象，如图6所示.其中T TW表示管壁温度，ΔT 表示管壁与周围空气之间的温差.两者温差差距较大，能够用以分析温差对自然对流换热的影响.通过模拟结果的对比可以充分证明温差是决定自然对流换热强弱的重要因素.管壁与周围空气之间温差越大，圆管上方空气运动越剧烈，流动发展越快，这与实验部分自然对流换热系数的变化规律相一致.图6 不同温差相同时间间隔下圆管上方空气流动云图Fig.6 Nepho-gram of air flow above horizontal circular pipe for different temperature differenceand same time interval2.3.2 圆管自然对流换热气流流动的发展分析如图7a所示，圆管自然对流气流流动的发展首先从近壁处开始，近壁处的空气受管壁加热温度上升，密度减小，从而产生浮升力推动空气运动，黏性力作用使得近壁处空气附着于管壁并沿管壁向上流动，圆管近壁处的空气受热后不断上升向圆管上方汇集流动，在黏性力作用下对空气上升的速度影响最小的圆管侧面空气流速处于最大，在继续上升过程中因黏性力作用而下降.管壁周围空气沿管壁向上流动并在圆管上方汇集，推动圆管上方空气向上流动，圆管上方空气受热产生密度差引起浮升力，伴随着两端气流的推动而向上运动，这导致管壁周围会出现极小的负压区，如图7b所示.压差的存在使周围未受热空气不断涌向圆管，管壁加热吸入的空气使其上升，如此往复便形成了自然对流，如图6所示，气流不断向上流动形成气流柱.上升气流通过摩擦带动两侧停滞的空气向上运动，但气流上方空气密度大，且远离圆管不会被加热，因此上升气流会将上方密度较大空气推向两侧，同时气流的上升使得气流下方压强降低，压差又会迫使两侧空气向气流中心汇聚，被推动的密度较大的空气在压差和自身重力的影响下会出现向下的回流，因此在上升气流两侧会出现回流漩涡，如图7c所示.图7 自然对流气流流动的发展过程Fig.7 Development of air flow due to natural convection3 结论1）自然对流换热系数随管壁温度的升高而增大，根据本实验条件拟合出了该实验条件下的实验关联式.2）自然对流换热强弱取决于高温固体壁面与周围流体温差的大小，温差越大，自然对流流动发展越迅速，流动越剧烈，最大流速越大，在温差驱动下形成上升气流，并由于压差的作用在上升气流两侧形成漩涡.参考文献：［1］李远涛.横管表面自然对流传热特性的实验分析与数值模拟［J］.长春工程学院学报，2010，11（1）：64-67.［2］王晓云.自然对流状态下横圆管管壁温度圆周方向分布［J］.哈尔滨工业大学学报，2004，39（6）：1282-1284.［3］朱进容.水平圆管自然对流换热的剪切干涉测温数值和实验研究［D］.武汉：华中科技大学，2011.［4］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006：263-269.［5］ CHURCHILL S W，CHU H H S.Correlating equations for laminar andturbulent free convection from a vertical plate［J］.Int J Heat Mass Transfer，1975，18：1049-1053.［6］ KAYS W M，CRAWFORD M E.Convective heat and mass transfer ［M］.Second Edition.New York：McGraw-Hill Book Company，1980：387-389.［7］宋姗姗，郭雪岩.Boussinesq近似于封闭腔体内自然对流的数值模拟［J］.力学，2012，33（1）：60-67.。
考试科目代码：[813]
考试科目名称：工程热力学与传热学
一、考试目标
（一）考查考生对工程热力学基本概念、热力过程及与船舶有关的常用热工设备的组成、工作过程及相关热力计算的掌握程度，以及解决相关的工程实际问题的能力；
（二）考查考生对热量传递的三种基本方式导热、对流换热、辐射换热及换热器相关计算的掌握程度，以及相关的工程实际问题的计算能力。
二、试卷结构
（一）考试时间：180分钟，满分：150分。
（二）题型结构
1、选择题：20小题，每小题2分，共40分；
2、简答题：6小题，每小题5分，共30分；
3、计算题：5-6小题，分值6-15分不等，共65分；
4、分析、论述题：15分。
三、答题方式
答题方式为闭卷、笔试（请考生注意自带科学计算器）。
四、考试内容
1、热力学基本概念和热力学第一定律
考试内容：掌握热力系统、工质、热源和冷源；热力状态、状态参数及状态参数坐标图；准平衡过程和可逆过程；膨胀功、热量。
传热学基础试题及答案1.对于燃气加热炉，传热过程次序为复合换热、导热、对流换热。
2.温度对辐射换热的影响大于对流换热的影响。
3.27℃的壁面上，温度为77℃的水流经过的对流换热的热流密度为7×104W/m2.4.在无内热源、物性为常数且温度只沿径向变化的一维圆筒壁的导热问题中，稳态时dt/drr=r2，dt/dr=r=r2均成立。
5.黑体的有效辐射等于其本身辐射，而灰体的有效辐射大于等于其本身辐射。
6.由四个平面组成的四边形长通道，已知角系数X1，2=0.4,X1，4=0.25，则X1，3为0.35.7.准则方程式Nu=f(Gr,Pr)反映了自然对流换热的变化规律。
8.当采用加肋片的方法增强传热时，将肋片加在换热系数较大一侧会最有效。
9.某热力管道采用两种导热系数不同的保温材料进行保温，为了达到较好的保温效果，应将导热系数较大的材料放在内层。
10.削弱传热的方法是采用导热系数较小的材料使导热热阻增加。
11.由炉膛火焰向水冷壁传热的主要方式是热辐射。
12.准则方程式Nu=f(Gr,Pr)反映了自然对流换热的变化规律。
13.判断管内紊流强制对流是否需要进行入口效应修正的依据是 l/d<50.14.属于削弱传热的方法是采用导热系数较小的材料使导热热阻增加。
15.冷热流体的温度给定，换热器热流体侧结垢会使传热壁面的温度增加。
16.将保温瓶的双层玻璃中间抽成真空，其目的是减少导热和对流与辐射换热。
17.属于物性参数的是导热系数。
18.对数平均温差约为150°C。
19.X1,3为0.35.20.辐射力为1417.5W/m2，表面氧化后，黑度变为0.9，辐射力将减小。
21.在稳态导热中，决定物体内温度分布的是导热系数。
22.XXX特数反映了流体物性对对流换热的影响。
23.单位面积的导热热阻单位为K·m2/W。
24.绝大多数情况下强制对流时的对流换热系数大于自然对流。
25.对流换热系数为100、温度为20℃的空气流经50℃的壁面，其对流换热的热流密度为5000 W/m2.26.流体分别在较长的粗管和细管内作强制紊流对流换热，如果流速等条件相同，则细管内的对流换热系数大。
