高等傳熱學(xué)試題及答案一、選擇題（每題3分，共30分）

1.以下哪種傳熱方式不需要介質(zhì)？（）

A.導(dǎo)熱

B.對(duì)流

C.輻射

D.以上都需要

答案：C

解析：導(dǎo)熱是依靠物質(zhì)的分子、原子或自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)來傳遞熱量，需要介質(zhì)；對(duì)流是流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱量傳遞過程，也需要流體作為介質(zhì)；而熱輻射是物體通過電磁波來傳遞能量的方式，不需要介質(zhì)，在真空中也能進(jìn)行。

2.傅里葉定律描述的是（）。

A.熱對(duì)流現(xiàn)象

B.熱輻射現(xiàn)象

C.熱傳導(dǎo)現(xiàn)象

D.熱交換現(xiàn)象

答案：C

解析：傅里葉定律是導(dǎo)熱的基本定律，它指出在導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時(shí)間內(nèi)通過給定截面的導(dǎo)熱量，正比于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為q=λ?T?x，其中q是熱流密度，λ是導(dǎo)熱系數(shù)，?T?x是溫度梯度。

3.努塞爾數(shù)Nu的物理意義是（）。

A.慣性力與粘性力之比

B.對(duì)流換熱與導(dǎo)熱能力之比

C.浮升力與粘性力之比

D.熱擴(kuò)散能力與動(dòng)量擴(kuò)散能力之比

答案：B

解析：努塞爾數(shù)Nu=hLλ，其中h是對(duì)流換熱系數(shù)，L是特征長度，λ是流體的導(dǎo)熱系數(shù)。它反映了流體對(duì)流換熱與流體分子導(dǎo)熱能力的相對(duì)大小。當(dāng)Nu數(shù)較大時(shí)，說明對(duì)流換熱的作用相對(duì)較強(qiáng)；反之，則導(dǎo)熱的作用相對(duì)較強(qiáng)。

4.對(duì)于穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問題，通過平壁的熱流密度（）。

A.與壁厚成正比

B.與壁厚成反比

C.與壁厚無關(guān)

D.不確定

答案：B

解析：對(duì)于穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源的平壁導(dǎo)熱，熱流密度q=λ(T1T2)δ，其中λ是導(dǎo)熱系數(shù)，T1T2是平壁兩側(cè)的溫度差，δ是平壁的厚度。從公式可以看出，熱流密度與壁厚成反比。

5.黑體的發(fā)射率（）。

A.等于0

B.等于1

C.大于1

D.小于1

答案：B

解析：黑體是一種理想化的物體，它能夠吸收所有投射到其表面的熱輻射，并且在相同溫度下，黑體的輻射能力是最大的。發(fā)射率ε定義為實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比。由于黑體的輻射力就是同溫度下的最大輻射力，所以黑體的發(fā)射率等于1。

6.雷諾數(shù)Re的物理意義是（）。

A.慣性力與粘性力之比

B.對(duì)流換熱與導(dǎo)熱能力之比

C.浮升力與粘性力之比

D.熱擴(kuò)散能力與動(dòng)量擴(kuò)散能力之比

答案：A

解析：雷諾數(shù)Re=ρuLμ，其中ρ是流體的密度，u是流體的流速，L是特征長度，μ是流體的動(dòng)力粘度。它反映了流體流動(dòng)中慣性力與粘性力的相對(duì)大小。當(dāng)Re數(shù)較小時(shí)，粘性力起主導(dǎo)作用，流體流動(dòng)呈層流狀態(tài)；當(dāng)Re數(shù)較大時(shí)，慣性力起主導(dǎo)作用，流體流動(dòng)易形成湍流。

7.大容器飽和沸騰時(shí)，隨著壁面過熱度的增加，沸騰曲線依次經(jīng)歷（）。

A.自然對(duì)流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰、膜態(tài)沸騰

B.核態(tài)沸騰、自然對(duì)流、過渡沸騰、膜態(tài)沸騰

C.自然對(duì)流、過渡沸騰、核態(tài)沸騰、膜態(tài)沸騰

D.核態(tài)沸騰、過渡沸騰、自然對(duì)流、膜態(tài)沸騰

答案：A

解析：在大容器飽和沸騰過程中，當(dāng)壁面過熱度較小時(shí)，主要是自然對(duì)流換熱，此時(shí)液體的汽化現(xiàn)象不明顯；隨著壁面過熱度的增加，液體中開始形成大量的氣泡，進(jìn)入核態(tài)沸騰階段，此時(shí)換熱系數(shù)和熱流密度都迅速增加；繼續(xù)增加壁面過熱度，氣泡會(huì)在壁面形成連續(xù)的蒸汽膜，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)下降，進(jìn)入過渡沸騰階段；當(dāng)壁面過熱度進(jìn)一步增大時(shí)，蒸汽膜穩(wěn)定存在，進(jìn)入膜態(tài)沸騰階段。

8.以下哪種情況下，物體的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨著溫度的升高而減小？（）

A.金屬

B.液體

C.氣體

D.以上都不對(duì)

答案：A

解析：對(duì)于金屬，其導(dǎo)熱主要依靠自由電子的運(yùn)動(dòng)。隨著溫度的升高，金屬晶格的熱振動(dòng)加劇，會(huì)對(duì)自由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，從而使導(dǎo)熱系數(shù)減小。而對(duì)于液體，其導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度的升高而減小，但也有一些例外情況；對(duì)于氣體，其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大，因?yàn)闇囟壬邥r(shí)，氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間的碰撞頻率增加，導(dǎo)熱能力增強(qiáng)。

9.對(duì)于一個(gè)二維穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問題，若邊界條件已知，其解（）。

A.唯一

B.不唯一

C.可能唯一，也可能不唯一

D.不確定

答案：A

解析：根據(jù)導(dǎo)熱問題的唯一性定理，對(duì)于二維穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問題，在給定邊界條件（如第一類邊界條件、第二類邊界條件或第三類邊界條件）的情況下，其溫度分布的解是唯一的。

10.熱輻射的波長范圍主要在（）。

A.0.1100μm

B.0.40.76μm

C.110μm

D.0.761000μm

答案：A

解析：熱輻射的波長范圍很廣，主要集中在0.1100μm之間，其中包括了可見光和紅外線等波段。可見光的波長范圍是0.40.76μm，而紅外線的波長范圍一般在0.761000μm左右。

二、簡答題（每題10分，共30分）

1.簡述導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流換熱系數(shù)和發(fā)射率的物理意義，并說明它們的影響因素。

答案：

導(dǎo)熱系數(shù)：

物理意義：導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱能力大小的物理量，它表示在單位溫度梯度作用下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的導(dǎo)熱量。其定義式為q=λ?T?x，其中λ就是導(dǎo)熱系數(shù)。

影響因素：材料的種類是影響導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素，一般來說，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)較大，因?yàn)榻饘僦杏写罅康淖杂呻娮訁⑴c導(dǎo)熱；液體的導(dǎo)熱系數(shù)次之；氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小。此外，溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)也有影響，對(duì)于金屬，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而減??；對(duì)于液體和氣體，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化情況較為復(fù)雜。材料的密度、濕度等也會(huì)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生影響，例如，材料的濕度增加，其導(dǎo)熱系數(shù)通常會(huì)增大。

對(duì)流換熱系數(shù)：

物理意義：對(duì)流換熱系數(shù)是衡量對(duì)流換熱強(qiáng)弱的物理量，它表示單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上，流體與壁面之間在單位溫度差下的換熱量。其定義式為q=h(TwTf)，其中h就是對(duì)流換熱系數(shù)，Tw是壁面溫度，Tf是流體溫度。

影響因素：流體的物性（如導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘度、比熱容等）會(huì)影響對(duì)流換熱系數(shù)。例如，導(dǎo)熱系數(shù)大的流體，對(duì)流換熱系數(shù)可能較大。流體的流動(dòng)狀態(tài)（層流或湍流）對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)影響顯著，湍流時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)比層流時(shí)大得多。此外，流動(dòng)的起因（強(qiáng)制對(duì)流或自然對(duì)流）、壁面的形狀和尺寸等也會(huì)對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)產(chǎn)生影響。

發(fā)射率：

物理意義：發(fā)射率是實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比，它反映了實(shí)際物體發(fā)射熱輻射的能力相對(duì)于黑體的強(qiáng)弱。

影響因素：物體的表面性質(zhì)（如表面粗糙度、表面氧化程度等）對(duì)發(fā)射率有很大影響。一般來說，表面粗糙的物體發(fā)射率較大；物體表面氧化后，發(fā)射率也會(huì)增大。此外，溫度也會(huì)對(duì)發(fā)射率產(chǎn)生影響，不同溫度下物體的發(fā)射率可能不同。

2.說明邊界層理論的主要內(nèi)容及其在傳熱學(xué)中的應(yīng)用。

答案：

邊界層理論的主要內(nèi)容：

流動(dòng)邊界層：當(dāng)流體流過固體壁面時(shí)，由于流體的粘性作用，在壁面附近會(huì)形成一個(gè)速度變化劇烈的薄層，稱為流動(dòng)邊界層。在邊界層內(nèi)，流體的速度從壁面處的零迅速增加到與主流速度接近的值。邊界層外的流體可近似看作是理想流體，速度梯度很小。邊界層的厚度通常定義為從壁面到速度達(dá)到主流速度的99%處的距離。

熱邊界層：當(dāng)流體與壁面之間存在溫度差時(shí)，在壁面附近會(huì)形成一個(gè)溫度變化劇烈的薄層，稱為熱邊界層。在熱邊界層內(nèi)，流體的溫度從壁面溫度迅速變化到與主流溫度接近的值。熱邊界層外的流體溫度變化很小。熱邊界層的厚度通常定義為從壁面到溫度達(dá)到主流溫度的99%處的距離。

在傳熱學(xué)中的應(yīng)用：

簡化傳熱問題：邊界層理論將整個(gè)流場分為邊界層內(nèi)和邊界層外兩部分。在邊界層內(nèi)，由于速度和溫度變化劇烈，需要考慮粘性和導(dǎo)熱的影響；而在邊界層外，可將流體看作理想流體，忽略粘性和導(dǎo)熱的影響。這樣可以大大簡化傳熱問題的分析和求解。

推導(dǎo)對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算公式：通過對(duì)邊界層內(nèi)的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行分析，可以建立起對(duì)流換熱系數(shù)與流體物性、流動(dòng)狀態(tài)等因素之間的關(guān)系。例如，對(duì)于平板層流邊界層的對(duì)流換熱問題，可以利用邊界層方程推導(dǎo)出努塞爾數(shù)的表達(dá)式，進(jìn)而得到對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算公式。

指導(dǎo)傳熱強(qiáng)化：根據(jù)邊界層理論，減小邊界層的厚度可以提高對(duì)流換熱系數(shù)。因此，在工程實(shí)際中，可以采用一些方法來破壞邊界層的發(fā)展，如采用粗糙表面、加裝擾流元件等，以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。

3.簡述輻射換熱的角系數(shù)的定義、性質(zhì)及其計(jì)算方法。

答案：

定義：角系數(shù)是指表面1發(fā)射的輻射能中直接落到表面2上的百分?jǐn)?shù)，用X1,2表示。它僅與物體的幾何形狀、大小和相對(duì)位置有關(guān)，與物體的物性和溫度無關(guān)。

性質(zhì)：

相對(duì)性：A1X1,2=A2X2,1，其中A1和A2分別是表面1和表面2的面積。這一性質(zhì)表明，兩個(gè)表面之間的輻射換熱具有相互性。

完整性：對(duì)于由n個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)，從任意一個(gè)表面i發(fā)射的輻射能必定全部落到系統(tǒng)內(nèi)的其他表面上，即∑j=1nXi,j=1。

分解性：若表面j可分為若干個(gè)小表面j1,j2,?，則Xi,j=∑k=1mXi,jk。

計(jì)算方法：

積分法：根據(jù)角系數(shù)的定義，通過對(duì)輻射能的積分來計(jì)算角系數(shù)。對(duì)于一些簡單的幾何形狀和相對(duì)位置，可以利用積分公式進(jìn)行計(jì)算。但這種方法計(jì)算過程較為復(fù)雜，通常只適用于一些規(guī)則的情況。

代數(shù)法：利用角系數(shù)的相對(duì)性、完整性和分解性等性質(zhì)，通過聯(lián)立方程組來求解角系數(shù)。這種方法適用于由多個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)，通過已知的角系數(shù)關(guān)系來求解未知的角系數(shù)。

查圖法：對(duì)于一些常見的幾何形狀和相對(duì)位置，已經(jīng)繪制了相應(yīng)的角系數(shù)計(jì)算圖。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體情況，通過查圖來快速得到角系數(shù)的值。

三、計(jì)算題