传热学第三版课后部分习题详解

t k i，j 1 t k i，j t k i，j 1 t k i , j r r rj rj r 2 r 2 rj r
并简化，可以得出与上式完全一样相同的结果。
4-7、 一金属短圆柱在炉内受热厚被竖直地移植到空气中冷却， 底面可以认为是绝热的。为用数值法确定冷却过程中柱体温 度的变化， 取中心角为 1rad 的区域来研究 （如本题附图所示） 。 已知柱体表面发射率，自然对流表面传热系数，环境温度， 金属的热扩散率，试列出图中节点（1，1） ， （M,1）(M,n)及 （M,N） 的离散方程式。 在 r 及 z 方向上网格是各自均分的。 解：应用热平衡法来建立四个节点点离散方程。 节点（1，1） ：
， 离散方程的建立 4-5、试将直角坐标中的常物性无内热源的二维稳态导热微分方程化为显式差分格式，并指 出其稳定性条件（ x y) 。 解：常物性无内热源二维非稳态方程微分方程为
4.3636t 2 2.53t1 1.8336t f
t2
2.53t f 1.8336t f
2t 2t t a x 2 y 2
Bi=0.1,1,10 的三种情况计算下列特征方程的根
n (n 1,2,6) :
n a Fo 2 0.2 并用计算机查明，当 时用式（3-19）表示的级数的第一项代替整个级数（计
算中用前六项之和来替代）可能引起 的误差。 解： n Bi 0.1 1.0 10
tan n
第四章
复习题 1、 试简要说明对导热问题进行有限差分数值计算的基本思想与步骤。 2、 试说明用热平衡法建立节点温度离散方程的基本思想。 3、 推导导热微分方程的步骤和过程与用热平衡法建立节点温度离散方程的过程十分相似， 为什么前者得到的是精确描述，而后者解出的确实近似解。 4、 第三类边界条件边界节点的离散那方程，也可用将第三类边界条件表达式中的一阶导数 用差分公式表示来建立。试比较这样建立起来的离散方程与用热平衡建立起来的离散方 程的异同与优劣。 5．对绝热边界条件的数值处理本章采用了哪些方法？试分析比较之． 6．什么是非稳态导热问题的显示格式？什么是显示格式计算中的稳定性问题？ 7．用高斯－塞德尔迭代法求解代数方程时是否一定可以得到收敛德解？不能得出收敛的解 时是否因为初场的假设不合适而造成？

（3）将与 t 对应的 ε 及 t∗值列表如下：
t -100 0
ε
-25
0
t∗ -166.7 0
100 200 300 400 500
15 20 25
0
-25
100 133 100 0 -166.7
由表中数据即可作出 ε − t ， ε − t∗和 t − t∗图（图略）。 （4）很明显，除冰点，t 与 t∗相同外，其它温度二者温度值都不相同。 ε − t∗ 是正比关 系，但是用温度 t 是比较熟悉的，与日常生活一致。
（1）
P1 = P0 + 20cmHg
P2 = P0 − hcmHg
P1 × (70 − 20)S = P2 × (70 − h)S 解出： h = 3.55(cm) （注意大气压强单位变换）
（2）
P1 × (70 − 20)S ≥ P2 × 70S
P0 ≤ 50cmHg = 6.65 ×104(Pa)
= 373.15K
Ptr →0 Vtr 0.732038
1.4 解：（1）第三种正确。因为由实验发现，所测温度的数值与温度计的测温质有关， 对同种测温质，还与其压强的大小有关。 （2）根据理想气体温标定义
P T = 273.16K lim
Ptr →0 Pt0 时，则所测温度值都 相等。
PV = M RT µ
则
PSvt = M RT
µ
∴
v = M RT = 0.899(m/s )
PµSt
1.13 解：设活塞打开前后，两容器的空气质量分别为 M1、M2、M'1、M'2，按理想气体 处理，各自的状态方程为
3
P1V1
=
M1 µ

第一章:1-1 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有热传导和热辐射。

（b ）热量交换的方式主要有热传导，自然对流和热辐射。

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。

1-2 一炉子的炉墙厚13cm ，总面积为20m 2 ，平均导热系数为1.04w/m ·k ，内外壁温分别是520 ℃及50 ℃。

试计算通过炉墙的热损失。

如果所燃用的煤的发热量是2.09 ×10 4 kJ/kg ，问每天因热损失要用掉多少千克煤？解：根据傅利叶公式每天用煤1-3 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实验中，得到下列数据：管壁平均温度t w = 69 ℃，空气温度t f = 20 ℃，管子外径d= 14mm ，加热段长80mm ，输入加热段的功率8.5w ，如果全部热量通过对流换热传给空气，试问此时的对流换热表面传热系数多大？解：根据牛顿冷却公式1-4宇宙空间可近似的看作0K 的真空空间。

一航天器在太空中飞行，其外表面平均温度为250K ，表面发射率为0.7 ，试计算航天器单位表面上的换热量？解：航天器单位表面上的换热量1-5附图所示的空腔由两个平行黑体表面组成，孔腔内抽成真空，且空腔的厚度远小于其高度与宽度。

其余已知条件如图。

表面2 是厚δ= 0.1m 的平板的一侧面，其另一侧表面3 被高温流体加热，平板的平均导热系数λ=17.5w/m ? K ，试问在稳态工况下表面3 的t w3 温度为多少？解：表面1 到表面2 的辐射换热量= 表面2 到表面3 的导热量第二章:2-1一烘箱的炉门由两种保温材料A 和B 做成，且δA =2 δB ( 见附图) 。

已知λA =0.1 w/m ? K ，λB =0.06 w/m ? K 。

烘箱内空气温度t f1 = 400 ℃，内壁面的总表面传热系数h 1 =50 w/m 2 ? K 。

（1）当x= 3cm 时，
Re x

100 0.03 106 19.5
1.538105
0.87u Rex 0.2218
x 5.0 5 0.03 1.538105 1/2 0.383 Re x Pr1 3 t 0.429
w
（2）冬季时
tm

10
2
20
15
查空气的物性参数为
0.0255W /m k Pr 0.704
14.6110-6 m2 / s
1 1/ 288
15 273
Gr

gtH 3 2

2.49 1010
处于湍流区
hL

0.11
H
(Gr Pr)1/3
30 273
Gr

gtH 3 2

6.771 109
处于过渡区
hL

0.0292
H
(Gr Pr)0.39

2.646
Aht 43.26W
Q 43.62 243600 3769kJ
大空间自然对流 6-45
（1）夏季时
tm

35 2

25

30
查空气的物性参数为
Nux

hxl


9400.631
Stx

Nux Re x Pr
0.039
j Stx Pr 2/3 0.03
C f 2 j 0.06
第六章
• 相似理论 6-1
解：空气温度为20℃确定，υ1=15.06×10-6m2/s，Pr1=0.703，