2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——傳熱過(guò)程中的對(duì)流傳熱機(jī)理考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的代表字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。每小題2分，共20分）1.與導(dǎo)熱和輻射傳熱相比，對(duì)流傳熱的顯著特點(diǎn)是（）。A.僅發(fā)生在固體表面B.依賴于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)C.在真空中無(wú)法進(jìn)行D.總是伴隨著相變2.在流體流過(guò)固體表面時(shí)，由于粘性力作用，緊鄰表面的流體速度為零，這個(gè)速度為零的薄層區(qū)域稱為（）。A.湍流核心B.層流底層C.邊界層D.熱邊界層3.邊界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)雷諾數(shù)的大小，通常可以分為（）。A.恒定流與非恒定流B.層流與湍流C.湍流與層流底層D.普朗特流與雷諾流4.下列哪個(gè)無(wú)量綱數(shù)主要反映了流體的動(dòng)量擴(kuò)散能力與熱擴(kuò)散能力的比值？（）A.雷諾數(shù)（Re）B.普朗特?cái)?shù)（Pr）C.努塞爾數(shù)（Nu）D.格拉斯霍夫數(shù)（Gr）5.在強(qiáng)制對(duì)流換熱中，提高流體的流速通常會(huì)導(dǎo)致（）。A.邊界層厚度增加B.雷諾數(shù)減小C.對(duì)流換熱系數(shù)減小D.流動(dòng)由層流轉(zhuǎn)捩為湍流的可能性增加6.與強(qiáng)制對(duì)流相比，自然對(duì)流換熱的主要驅(qū)動(dòng)力是（）。A.流體粘性力B.流體壓力變化C.流體密度差引起的浮升力D.流體慣性力7.對(duì)于管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，當(dāng)雷諾數(shù)較大（湍流）時(shí)，努塞爾數(shù)通常（）。A.小于等效導(dǎo)熱熱阻對(duì)應(yīng)的值B.隨普朗特?cái)?shù)增大而增大C.與雷諾數(shù)成反比D.取決于流體的種類，與幾何尺寸無(wú)關(guān)8.在分析平板層流邊界層內(nèi)的溫度分布時(shí)，其熱流方向主要是（）。A.垂直于平板表面，從壁面指向主流B.平行于平板表面，沿主流方向C.垂直于平板表面，從主流指向壁面D.先垂直表面，后平行主流9.根據(jù)相似理論，描述強(qiáng)制對(duì)流換熱的經(jīng)驗(yàn)公式（如努塞爾數(shù)關(guān)聯(lián)式）中的無(wú)量綱數(shù)群之間存在（）。A.線性關(guān)系B.指數(shù)關(guān)系C.函數(shù)關(guān)系D.相乘關(guān)系10.綜合影響對(duì)流換熱系數(shù)的因素非常復(fù)雜，但核心因素可以歸納為流體物性、流動(dòng)狀態(tài)以及（）。A.熱源強(qiáng)度B.對(duì)流體的加熱或冷卻方式C.表面幾何形狀及尺寸D.邊界層厚度二、填空題（請(qǐng)將答案填在橫線上。每空2分，共20分）1.對(duì)流傳熱是由于流體的______和______共同作用的結(jié)果。2.邊界層內(nèi)，從壁面到主流區(qū)，流體的速度逐漸從______增加到______。3.當(dāng)雷諾數(shù)小于臨界值時(shí)，流體流態(tài)為______；當(dāng)雷諾數(shù)大于臨界值時(shí)，流體流態(tài)通常為______。4.普朗特?cái)?shù)（Pr）是無(wú)量綱數(shù)，其表達(dá)式為______，它反映了流體的______與______的相對(duì)關(guān)系。5.在自然對(duì)流換熱中，若空氣沿垂直平板向上流動(dòng)，隨著高度增加，空氣密度逐漸減小，浮升力作用增強(qiáng)，通常會(huì)導(dǎo)致邊界層流動(dòng)狀態(tài)由______向______發(fā)展。6.努塞爾數(shù)（Nu）是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，其表達(dá)式通常為______，它表征了______與______的比值。7.對(duì)于管內(nèi)強(qiáng)制湍流換熱，經(jīng)驗(yàn)公式表明努塞爾數(shù)（Nu）通常與雷諾數(shù)（Re）和普朗特?cái)?shù)（Pr）的函數(shù)關(guān)系為______，即Nu=f(Re,Pr)。8.對(duì)流傳熱熱阻主要集中存在于______和______中。9.相似理論指出，當(dāng)兩個(gè)現(xiàn)象相似時(shí)，它們的同名準(zhǔn)則數(shù)的數(shù)值______。10.強(qiáng)化對(duì)流傳熱的基本途徑包括提高流體流速、改變流動(dòng)狀態(tài)（如促使其湍流）、增加粗糙度或添加擾流物、以及______等。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題。每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述對(duì)流傳熱與導(dǎo)熱傳熱在機(jī)理上的主要區(qū)別。2.什么是邊界層？邊界層的存在對(duì)流體流動(dòng)和傳熱有何影響？3.簡(jiǎn)要說(shuō)明影響管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)的主要因素。4.簡(jiǎn)述相似理論在對(duì)流傳熱研究中的應(yīng)用價(jià)值。四、計(jì)算題（請(qǐng)列出必要的計(jì)算步驟和公式。每題10分，共30分）1.一塊寬度為1m、溫度為80°C的平板垂直放置于20°C的空氣中，空氣以5m/s的速度平行于平板表面流動(dòng)。空氣的物性參數(shù)在平均溫度（(80+20)/2=50°C）下為：密度ρ=1.12kg/m3，動(dòng)力粘度μ=1.85×10??Pa·s，導(dǎo)熱系數(shù)k=0.028W/(m·K)，普朗特?cái)?shù)Pr=0.7。試判斷空氣流過(guò)平板前緣一段距離后的流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流），并定性說(shuō)明此時(shí)邊界層內(nèi)的溫度分布大致趨勢(shì)。2.某種油在內(nèi)徑為10mm的圓管內(nèi)做強(qiáng)制層流流動(dòng)，流量為0.02kg/s。油的物性參數(shù)在流動(dòng)溫度下為：密度ρ=880kg/m3，動(dòng)力粘度μ=0.8×10?3Pa·s，導(dǎo)熱系數(shù)k=0.15W/(m·K)，普朗特?cái)?shù)Pr=400。若管壁與油之間的溫差為10K，試估算管壁與油之間的對(duì)流換熱系數(shù)（以W/(m2·K)為單位）。提示：對(duì)于管內(nèi)層流，Nu=3.66（適用于充分發(fā)展流動(dòng)，此處可作為近似）。3.一根直徑為20mm的圓柱體水平放置于溫度為T∞的空氣中，表面溫度均勻維持在Tw?？諝獾奈镄詤?shù)和普朗特?cái)?shù)同計(jì)算題1。若空氣以3m/s的速度流過(guò)圓柱體表面，測(cè)得對(duì)流換熱系數(shù)為25W/(m2·K)?，F(xiàn)假設(shè)其他條件不變，僅將空氣流速提高到12m/s，試估算新的對(duì)流換熱系數(shù)大約為多少？請(qǐng)說(shuō)明你的依據(jù)和計(jì)算過(guò)程。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.B5.D6.C7.B8.A9.C10.C二、填空題1.宏觀運(yùn)動(dòng)，分子熱運(yùn)動(dòng)2.零，主流速度3.層流，湍流4.μ/α，動(dòng)量擴(kuò)散能力，熱擴(kuò)散能力5.層流，湍流6.h·d/k，對(duì)流換熱量，導(dǎo)熱熱阻7.Nu=f(Re,Pr)8.邊界層，流體的導(dǎo)熱9.相等10.增大表面粗糙度或添加擾流元件（如肋片）三、簡(jiǎn)答題1.對(duì)流傳熱必須有流體參與，是流體整體運(yùn)動(dòng)將熱量帶到其他地方；而導(dǎo)熱發(fā)生在固體內(nèi)部或不同溫度的流體間，無(wú)需流體宏觀運(yùn)動(dòng)，依靠分子振動(dòng)和碰撞傳遞能量。2.邊界層是緊鄰固體表面，流體的速度（或溫度）從零（或壁面值）變化到主流值的一薄層區(qū)域。邊界層存在使得壁面與流體間的動(dòng)量傳遞（層流邊界層）和熱量傳遞（依靠導(dǎo)熱和對(duì)流）受阻，是影響對(duì)流傳熱的關(guān)鍵因素。3.主要因素包括：流體的物理性質(zhì)（密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等）、流體的流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流，受雷諾數(shù)影響）、流體的流速（強(qiáng)制對(duì)流中）、管道或表面的幾何形狀與尺寸、以及流體與壁面之間的溫差。4.相似理論允許將模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果推廣到原型，為研究復(fù)雜對(duì)流換熱現(xiàn)象提供了數(shù)學(xué)框架。通過(guò)確定描述現(xiàn)象的特征無(wú)量綱數(shù)群（準(zhǔn)則數(shù)），并建立它們之間的函數(shù)關(guān)系（準(zhǔn)則方程式），可以預(yù)測(cè)未知的換熱情況，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)研究。四、計(jì)算題1.解：*計(jì)算特征尺寸：管徑d=20mm=0.02m*計(jì)算雷諾數(shù)：Re=ρ·u·d/μ=(1.12kg/m3)×(5m/s)×(0.02m)/(1.85×10??Pa·s)≈6043*判斷流態(tài)：臨界雷諾數(shù)Re_cr≈2300（對(duì)于圓管管內(nèi)流動(dòng)）。因?yàn)镽e(6043)>Re_cr(2300)，所以流動(dòng)狀態(tài)為湍流。*定性溫度分布：由于是垂直平板，空氣受熱后密度減小，向上流動(dòng)?？拷诿嫣幙諝鉁囟容^高，密度較小，浮力作用相對(duì)較弱，但仍受粘性影響速度較??；隨高度增加，熱空氣上升，與冷空氣混合，溫度逐漸降低，但浮升力增強(qiáng)，促使流體加速，形成更強(qiáng)的湍流。因此，邊界層內(nèi)的溫度分布大致趨勢(shì)是：靠近壁面處溫度高，向外逐漸降低，但變化梯度可能因流動(dòng)狀態(tài)（層流/湍流）和高度不同而不同。在湍流情況下，溫度分布比層流更均勻。2.解：*計(jì)算管子截面積：A=πd2/4=π(0.01m)2/4≈7.85×10??m2*計(jì)算質(zhì)量流量對(duì)應(yīng)的體積流量：V?=?/ρ=0.02kg/s/880kg/m3≈2.27×10??m3/s*計(jì)算平均流速：u=V?/A=(2.27×10??m3/s)/(7.85×10??m2)≈0.029m/s*計(jì)算雷諾數(shù)：Re=ρ·u·d/μ=(880kg/m3)×(0.029m/s)×(0.01m)/(0.8×10?3Pa·s)≈32.3*由于Re<Re_cr(2300)，流動(dòng)為層流。*采用層流關(guān)聯(lián)式Nu=3.66（適用于充分發(fā)展層流，此處近似）：Nu=3.66*計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)：h=Nu*k/d=3.66×(0.15W/(m·K))/(0.02m)≈27.45W/(m2·K)*結(jié)果取近似值：h≈27W/(m2·K)3.解：*根據(jù)題意，初始流速u?=5m/s，對(duì)流換熱系數(shù)h?=25W/(m2·K)。*新流速u?=12m/s。假設(shè)流動(dòng)狀態(tài)從層流轉(zhuǎn)捩為湍流，且流動(dòng)處于充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。*對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)，Nu=f(Re,Pr)。在雷諾數(shù)變化但Pr數(shù)基本不變的情況下，Nu與Re的關(guān)系在層流和湍流區(qū)域有不同的形式，但都大致與Re的0.8-0.9次方成正比。*Nu?/h?=d?/k=0.02/0.15≈0.133*Nu?/h?=d?/k=0.02/0.15