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《传热学》资料第五章传热过程与传热器一、名词解释1．传热过程:热量从高温流体通过壁面传向低温流体的总过程.2．复合传热:对流传热与辐射传热同时存在的传热过程.3．污垢系数:单位面积的污垢热阻.4．肋化系数: 肋侧表面面积与光壁侧表面积之比.5．顺流:两种流体平行流动且方向相同6．逆流: 两种流体平行流动且方向相反7．效能:换热器实际传热的热流量与最大可能传热的热流量之比.8．传热单元数:传热温差为1K时的热流量与热容量小的流体温度变化1K所吸收或放出的热流量之比.它反映了换热器的初投资和运行费用,是一个换热器的综合经济技术指标.9．临界热绝缘直径:对应于最小总热阻(或最大传热量)的保温层外径.二、填空题1．与的综合过程称为复合传热。
(对流传热，辐射传热)2．某燃煤电站过热器中，烟气向管壁传热的辐射传热系数为20 W／(m2．K)，对流传热系数为40 W／(m2．K)，其复合传热系数为。
(60W／(m2．K))3．肋化系数是指与之比。
(加肋后的总换热面积,未加肋时的换热面积)4．一传热过程的热流密度q＝1．8kW／m2，冷、热流体间的温差为30℃，则传热系数为，单位面积的总传热热阻为。
(60W／(m2．K)，0．017(m2.K)／W)5．一传热过程的温压为20℃，热流量为lkW，则其热阻为。
(0．02K／W)6．已知一厚为30mm的平壁，热流体侧的传热系数为100 W／(m2．K)，冷流体侧的传热系数为250W／(m2．K)，平壁材料的导热系数为0．2W／(m·K)，则该平壁传热过程的传热系数为。
(6．1W／(m2．K))7．在一维稳态传热过程中，每个传热环节的热阻分别是0．01K／W、0．35K／W和0．009lK ／W，在热阻为的传热环节上采取强化传热措施效果最好。
(0．35K／W)8．某一厚20mm的平壁传热过程的传热系数为45W／(m2．K)，热流体侧的传热系数为70W／(m2K)，冷流体侧的传热系数为200W／(m2．K)，则该平壁的导热系数为。
第四章 对流换热在绪论中已经指出，对流换热是发生在流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程，是发生在流体中的热量传递过程的特例。
由于流体系统中流体的运动，热量将主要以热传导和热对流的方式进行，这必然使热量传递过程比单纯的导热过程要复杂得多。
本章将在对换热过程进行一般性讨论的基础上，将质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本定律应用于流体系统，导出支配流体速度场和温度场的场方程－对流换热微分方程组。
由于该方程组的复杂性，除少数简单的对流换热问题可以通过分析求解微分方程而得出相应的速度分布和温度分布之外，大多数对流换热问题的分析求解是十分困难的。
因此，在对流换热的研究中常常采用实验研究的方法来解决复杂的对流换热问题。
在这一章，我们将通过方程的无量纲化和实验研究方法的介绍而得到常用的准则及准则关系式。
讨论的重点放在工程上常用的管内流动、平行流过平板以及绕流圆管的受迫对流换热，大空间和受限空间的自然对流换热，以及蒸汽凝结与液体沸腾换热。
4-1 对流换热概述1对流换热过程对流换热是发生在流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程，（直接接触是与辐射换热的区别），是宏观的热对流与微观的热传导的综合传热过程。
由于涉及流体的运动使热量的传递过程变得较为复杂，分析处理较为困难。
因此，在对流换热过程的研究和应用上，实验和数值分析的处理方法是常常采用的。
下面我们以简单的对流换热过程为例，对对流换热过程的特征进行粗略的分析。
图4－1表示一个简单的对流换热过程。
表示流体以来流速度u ∞和来流温度t ∞流过一个温度为t w 的固体壁面。
这里选取流体沿壁面流动的方向为x 坐标、垂直壁面方向为y 坐标。
由于固体壁面对流体分子的吸附作用，使得壁面上的流体是处于不流动或不滑移的状态（此论点对于极为稀薄的流体是不适用的）。
又由于流体分子相互之间的穿插扩散和(或) 相互之间的吸引造成流体之间的相互牵制。
这种相互的牵制作用就是流体的黏性力，在其作用下会使流体的速度在垂直于壁面的方向上发生改变。
第五章复习题1、试用简明的语言说明热边界层的概念。
答：在壁面附近的一个薄层内，流体温度在壁面的法线方向上发生剧烈变化，而在此薄层之外，流体的温度梯度几乎为零，固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为温度边界层或热边界层。
2、与完全的能量方程相比，边界层能量方程最重要的特点是什么？答：与完全的能量方程相比，它忽略了主流方向温度的次变化率σα22x A，因此仅适用于边界层内，不适用整个流体。
3、式（5—4）与导热问题的第三类边界条件式（2—17）有什么区别？答：=∂∆∂-=yyt th λ（5—4）)()(f w t t h ht -=∂∂-λ （2—11）式（5—4）中的h 是未知量，而式（2—17）中的h 是作为已知的边界条件给出，此外（2—17）中的λ为固体导热系数而此式为流体导热系数，式（5—4）将用来导出一个包括h 的无量纲数，只是局部表面传热系数，而整个换热表面的表面系数应该把牛顿冷却公式应用到整个表面而得出。
4、式（5—4）表面，在边界上垂直壁面的热量传递完全依靠导热，那么在对流换热中，流体的流动起什么作用？答：固体表面所形成的边界层的厚度除了与流体的粘性有关外还与主流区的速度有关，流动速度越大，边界层越薄，因此导热的热阻也就越小，因此起到影响传热大小5、对流换热问题完整的数字描述应包括什么内容？既然对大多数实际对流传热问题尚无法求得其精确解，那么建立对流换热问题的数字描述有什么意义？答：对流换热问题完整的数字描述应包括：对流换热微分方程组及定解条件，定解条件包括，（1）初始条件 （2）边界条件 （速度、压力及温度）建立对流换热问题的数字描述目的在于找出影响对流换热中各物理量之间的相互制约关系，每一种关系都必须满足动量，能量和质量守恒关系，避免在研究遗漏某种物理因素。
基本概念与定性分析5-1 、对于流体外标平板的流动，试用数量级分析的方法，从动量方程引出边界层厚度的如下变化关系式：xxRe1~δ解：对于流体外标平板的流动，其动量方程为： 221xyu vdxd yu vxy u∂+-=∂∂+∂∂ρρ根据数量级的关系，主流方的数量级为1，y 方线的数量级为δ则有2211111111δρδδv+⨯-=⨯+⨯从上式可以看出等式左侧的数量级为1级，那么，等式右侧也是数量级为1级，为使等式是数量级为1，则v 必须是2δ量级。
xδ 从量级看为1δ级1~11~111~1Re12δδδ⨯=∞vx u x量级两量的数量级相同，所以x δ与xRe1成比例5-2、对于油、空气及液态金属，分别有1>>rP ，1≅r P ，1<<r P ，试就外标等温平板的层流流动，画出三种流体边界层中速度分布和温度分布的大致图象（要能显示出x δδ与的相对大小）。
解：如下图：5-3、已知：如图，流体在两平行平板间作层流充分发展对流换热。
求：画出下列三种情形下充分发展区域截面上的流体温度分布曲线：（1）21w w q q =；（2）212w w q q =；（3）01=w q 。
解：如下图形：5-4、已知：某一电子器件的外壳可以简化成如图所示形状。
c h t >t 。
求：定性地画出空腔截面上空气流动的图像。
解：5-5、已知：输送大电流的导线称为母线，一种母线的截面形状如图所示，内管为导体，其中通以大电流，外管起保护导体的作用。
设母线水平走向，内外管间充满空气。
求：分析内管中所产生的热量是怎样散失到周围环境的。
并定性地画出截面上空气流动的图像。
解：散热方式：（1）环形空间中的空气自然对流（2）内环与外环表面间的辐射换热。
5-6、已知：如图，高速飞行部件中广泛采用的钝体是一个轴对称的物体。
求：画出钝体表面上沿x方向的局部表面传热系数的大致图像，并分析滞止点s附近边界层流动的状态。
（层流或湍流）。
解：在外掠钝体的对流换热中，滞止点处的换热强度是很高的。
该处的流动几乎总处层流状态，对流换热的强烈程度随离开滞止点距离的增加而下降。
5-7．温度为80℃的平板置于来流温度为20℃的气流中．假设平板表面中某点在垂直于壁面方向的温度梯度为40mm℃，试确定该处的热流密度． 边界层概念及分析5-8、已知：介质为25℃的空气、水及14号润滑油，外掠平板边界层的流动由层流转变为湍流的灵界雷诺数5105Re ⨯=c，s m u /1=∞。
求：以上三种介质达到c Re 时所需的平板长度。
解：（1）25℃的空气 v =15.53610-⨯sm /2vx u x∞=Re=561051053.151⨯=⨯⨯-xx=7.765m（2）25℃的水 sm v /109055.026-⨯= x=0.45275m（3）14号润滑油sm v /107.31326-⨯= x=156.85m5-9、已知：20℃的水以2m/s 的流速平行地流过一块平板，边界层内的流速为三次多项式分布。
求：计算离开平板前缘10cm 及20cm 处的流动边界层厚度及两截面上边界层内流体的质量流量（以垂直于流动方向的单位宽度计）。
解：20℃的水 sm v /10006.126-⨯= s m u /2=（1）x=10cm=0.1m61000.101.02Re-∞⨯⨯==vx u x=19880.72小于过渡雷诺数x Re . 按（5—22）mu vx 36100406.121.010006.164.464.4--∞⨯=⨯⨯==δ设3)(2123δδyy u u y⨯-⨯=∞yy yyd yyu d u u u udu u udm ])(2123[3δδρρρρδδδδ⨯-⨯====⎰⎰⎰⎰∞∞∞∞=]843[)](8143[0342δδρδδρδ-=-⨯∞∞u y yu =998.2⨯2δ85⨯=1.2982/mkg（2）x=20cm=0.2m610006.102.02Re-⨯⨯=x=39761.43（为尽流）361047.1202.010006.164.464.4--∞⨯=⨯⨯==u vx δ m834.18522.9980=⨯⨯==⎰δρδy x d u m2/mkg5-10、已知：如图，两无限大平板之间的流体，由于上板运动而引起的层流粘性流动称为库埃流。
不计流体中由于粘性而引起的机械能向热能的转换。
求：流体的速度与温度分布。
解：（1）动量方程式简化为22=+-dyu d dxdp μ，y=0, u=0, y=H,()σ=y u ，σ为上板速度。
平行平板间的流动=dxdp。
积分两次并代入边界条件得()σ⎪⎭⎫⎝⎛=H y y u 。
（2）不计及由于粘性而引起机械能向热能的转换，能量方程为：t k y t xt uc 2∇=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂νρρ,对于所研究的情形，0=ν，0=∂∂xt，因而得022=dytd ，y=0,1w t t =,y=H,2w t t =,由此得()121w w w t t H y t t -⎪⎭⎫⎝⎛+=。
5-11、已知：如图，外掠平板的边界层的动量方程式为：22yu yu vxu u ∂∂=∂∂+∂∂ν。
求：沿y 方向作积分（从y=0到δ≥y ）导出边界层的动量积分方程。
解：任一截面做y=0到∞→y的积分dyyuv dyy uv dy x uu ⎰⎰⎰∞∞∞∂∂=∂∂+∂∂022根据边界层概念y>∞≈u u,δ故在该处0.0,022≈∂∂≈∂∂≈∂∂yu y u xu则有dyyuv dyy uv dy x uu ⎰⎰⎰∞∂∂=∂∂+∂∂022δδ (1)其中dyyu uu v dy yu v⎰⎰∂∂-=∂∂∞δδδ0由连续行方程可得dyxu v dy yu dy yv⎰⎰⎰∂∂-=∂∂-=∂∂δδδδ;所以dyxu udy xu u dy yu v⎰⎰⎰∂∂+∂∂-=∂∂∞δδδ (2)又因为0022=⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂-=∂∂y y u v dy yu vδ (3)（1）（2）代入（3）()⎰⎰⎰⎰∞-=∂∂+∂∂-∂∂δδδδdyu u u dxd dyx uu dy x udy x uu故边界层的动量积分方程为()00=∞⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=-y y u v dy u u u dx dδ5-12、已知：Pa 510013.1⨯、100℃的空气以v=100m/s 的速度流过一块平板，平板温 度为30℃。
求：离开平板前缘3cm 及6cm 处边界层上的法向速度、流动边界层及热边界层厚度、局部切应力和局部表面传热系数、平均阻力系数和平均表面传热系数。
解：定性温度65230100=+=m t ℃()K m W ⋅=/0293.0λ,695.0Pr =，s m /105.1926-⨯=ν，3/045,1m kg =ρ。
（1）cm x 3=处，5610538.1105.1910003.0Re⨯=⨯⨯==∞νxu x()sm v /2218.010538.187.0100215=⨯⨯=δ动量边界层厚度()mm355.010538.103.064.4215=⨯⨯⨯=-δmmt 398.0355.0695.0Pr3131=⨯==--δδ()252261.810538.1100045.1323.0Re323.0s m kgu xw ⋅=⨯⨯⨯==∞ρτ()KmWxh xx ⋅=⨯⨯⨯⨯==2531216.112695.010538.103.00293.0332.0PrRe332.0λ比拟理论5-13．来流温度为20℃、速度为4m/s 空气沿着平板流动，在距离前沿点为2m 处的局部切应力为多大？如果平板温度为50℃，该处的对流传热表面传热系数是多少？5-14．实验测得一置于水中的平板某点的切应力为1.5Pa ．如果水温与平板温度分别为15℃与60℃，试计算当地的局部热流密度．5-15．温度为160℃、流速为4m/s 的空气流过温度为30℃的平板．在离开前沿点为2m 处测得局部表面传热系数为149()℃2mW．试计算该处的fx x c j St ,,,Nu ,Re x 之值．5-16、已知：将一块尺寸为m m 2.02.0⨯的薄平板平行地置于由风洞造成的均匀气体流场中。
在气流速度sm u /40=∞的情况下用测力仪测得，要使平板维持在气流中需对它施加0.075N 的力。
此时气流温度20=∞t ℃，平板两平面的温度120=wt ℃。
气体压力为Pa310013.1⨯。
求：试据比拟理论确定平板两个表面的对流换热量。
解：PamN 9375.0/9375.02.02.02/075.02==⨯=τ，边界层中空气定性温度为70℃， 物性：()694.0Pr ,/1002.20,//1009,/029.1263=⨯=⋅==-s m K kg J c m kg p νρ利用Chilton-Colburn 比拟：3/2423/2Pr2,1069.52/40029.19375.0212/212Pr2pf h f f b c u hc j u c St c j ∞-∞==⨯=⨯⨯==⋅==ρρτ()Km W c u c h p f ⋅=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==∴---∞23/243/2/1.30276.16.23694.010*******.11069.5Pr2ρ()()Wt t hA w 9.240201202.001.3222=-⨯⨯⨯=-=Φ∞。
