傳熱學考研試題及答案一、選擇題（每題3分，共30分）

1.熱流量與溫差成正比，與熱阻成反比，這是（）的表述。

A.傅里葉定律

B.牛頓冷卻公式

C.熱路歐姆定律

D.斯蒂芬玻爾茲曼定律

答案：C

解析：熱路歐姆定律表明熱流量與溫差成正比，與熱阻成反比。傅里葉定律是關(guān)于導熱熱流與溫度梯度關(guān)系；牛頓冷卻公式描述對流換熱熱流與溫差關(guān)系；斯蒂芬玻爾茲曼定律用于計算黑體輻射換熱。

2.流體在管內(nèi)強制對流換熱時，以下哪種情況的對流換熱系數(shù)最大（）。

A.層流

B.過渡流

C.紊流

D.無法確定

答案：C

解析：在管內(nèi)強制對流換熱中，紊流時流體的混合程度高，熱量傳遞更快，對流換熱系數(shù)比層流和過渡流大。

3.對于大平壁穩(wěn)態(tài)導熱，若平壁兩側(cè)溫差增大一倍，則熱流量將（）。

A.增大一倍

B.減小一倍

C.增大兩倍

D.不變

答案：A

解析：根據(jù)平壁穩(wěn)態(tài)導熱公式Q=（Q為熱流量，ΔT為溫差，R為熱阻），當熱阻不變，溫差增大一倍時，熱流量也增大一倍。

4.黑體的輻射力與熱力學溫度的（）成正比。

A.一次方

B.二次方

C.三次方

D.四次方

答案：D

解析：斯蒂芬玻爾茲曼定律=σ（為黑體輻射力，σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度），表明黑體輻射力與熱力學溫度的四次方成正比。

5.下列哪種材料的導熱系數(shù)最大（）。

A.空氣

B.水

C.銅

D.泡沫塑料

答案：C

解析：銅是金屬，金屬的導熱系數(shù)一般較大?？諝夂团菽芰鲜菬岬牟涣紝w，導熱系數(shù)??；水的導熱系數(shù)介于金屬和不良導體之間。

6.對于管內(nèi)強制對流換熱，雷諾數(shù)Re主要反映了（）。

A.慣性力與粘性力的相對大小

B.浮升力與粘性力的相對大小

C.熱擴散與動量擴散的相對大小

D.對流換熱與導熱的相對大小

答案：A

解析：雷諾數(shù)Re=（u為流速，d為特征尺寸，ν為運動粘度），它反映了慣性力與粘性力的相對大小。

7.大容器飽和沸騰時，隨著壁面過熱度的增加，會依次出現(xiàn)（）。

A.自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰、膜態(tài)沸騰

B.核態(tài)沸騰、自然對流、過渡沸騰、膜態(tài)沸騰

C.自然對流、過渡沸騰、核態(tài)沸騰、膜態(tài)沸騰

D.膜態(tài)沸騰、過渡沸騰、核態(tài)沸騰、自然對流

答案：A

解析：大容器飽和沸騰時，隨著壁面過熱度增加，先是自然對流，然后進入核態(tài)沸騰，接著是過渡沸騰，最后是膜態(tài)沸騰。

8.角系數(shù)表示（）。

A.表面1發(fā)出的輻射能中落到表面2上的百分數(shù)

B.表面2發(fā)出的輻射能中落到表面1上的百分數(shù)

C.表面1和表面2之間的輻射換熱量

D.表面1和表面2之間的角系數(shù)之和

答案：A

解析：角系數(shù)定義為表面1發(fā)出的輻射能中落到表面2上的百分數(shù)。

9.已知某平壁兩側(cè)溫度分別為和（>），平壁厚度為δ，導熱系數(shù)為λ，則平壁內(nèi)的溫度分布為（）。

A.線性分布

B.拋物線分布

C.對數(shù)分布

D.指數(shù)分布

答案：A

解析：對于常物性、無內(nèi)熱源的平壁穩(wěn)態(tài)導熱，根據(jù)傅里葉定律積分可得溫度分布為線性分布。

10.蒸汽在水平管外凝結(jié)時，以下哪種情況的凝結(jié)換熱系數(shù)最大（）。

A.層流膜狀凝結(jié)

B.紊流膜狀凝結(jié)

C.珠狀凝結(jié)

D.無法確定

答案：C

解析：珠狀凝結(jié)時，蒸汽直接與壁面接觸，熱阻小，凝結(jié)換熱系數(shù)比層流膜狀凝結(jié)和紊流膜狀凝結(jié)都大。

二、填空題（每題3分，共30分）

1.熱量傳遞的三種基本方式是______、______和______。

答案：導熱、對流、輻射

解析：這是傳熱學中熱量傳遞的三種基本方式，導熱是物體內(nèi)部或相互接觸物體間依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而進行的熱量傳遞；對流是流體中各部分之間發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞；輻射是物體通過電磁波來傳遞能量的方式。

2.傅里葉定律的數(shù)學表達式為______，其中負號表示______。

答案：q→=?λ?T；熱量傳遞方向與溫度梯度方向相反

解析：傅里葉定律描述了導熱熱流與溫度梯度的關(guān)系，負號表明熱量總是從高溫向低溫傳遞，即與溫度梯度方向相反。

3.普朗特數(shù)Pr的定義式為______，它反映了______。

答案：Pr=（ν為運動粘度，a為熱擴散率）；熱擴散與動量擴散的相對大小

解析：普朗特數(shù)是一個無量綱數(shù)，它體現(xiàn)了流體中熱擴散能力與動量擴散能力的相對強弱。

4.對于大容器飽和沸騰，核態(tài)沸騰的主要特點是______。

答案：汽泡的產(chǎn)生和脫離對液體擾動強烈，換熱系數(shù)大

解析：在核態(tài)沸騰階段，壁面上形成大量汽泡，汽泡的產(chǎn)生、長大和脫離過程使液體產(chǎn)生強烈的擾動，大大增強了熱量傳遞，因此換熱系數(shù)較大。

5.黑體的吸收比α______，反射比ρ______，透射比τ______。

答案：=1；=0；=0

解析：黑體是一種理想化的物體，它能吸收所有投射到它表面的輻射能，所以吸收比為1，反射比和透射比都為0。

6.管內(nèi)強制對流換熱時，當雷諾數(shù)Re______時為層流，當Re______時為紊流。

答案：<2300；>10000

解析：對于管內(nèi)流動，通常以雷諾數(shù)2300作為層流和過渡流的分界，當雷諾數(shù)大于10000時可認為是充分發(fā)展的紊流。

7.熱阻的串聯(lián)公式為______，熱阻的并聯(lián)公式為______。

答案：=++?+；=++?+

解析：熱阻串聯(lián)時，總熱阻等于各分熱阻之和；熱阻并聯(lián)時，總熱阻的倒數(shù)等于各分熱阻倒數(shù)之和，與電路中的電阻串聯(lián)和并聯(lián)規(guī)律類似。

8.角系數(shù)具有______、______和______三個性質(zhì)。

答案：相對性、完整性、可加性

解析：角系數(shù)的相對性是指=；完整性是指一個表面對所有相關(guān)表面的角系數(shù)之和為1；可加性是指一個表面對另一個表面的角系數(shù)等于該表面對另一個表面各部分角系數(shù)之和。

9.影響對流換熱系數(shù)的主要因素有______、______、______、______和______。

答案：流體的物性、流體的流速、換熱表面的形狀和尺寸、流體的相變情況、換熱表面的粗糙度

解析：流體的物性如導熱系數(shù)、比熱容、密度等會影響熱量傳遞能力；流速越快，對流換熱越強；表面形狀和尺寸會影響流體的流動狀態(tài)；流體相變時會吸收或釋放大量潛熱，影響換熱；表面粗糙度會改變流體的流動特性，從而影響換熱。

10.對于二維穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源導熱問題，其溫度分布滿足的方程是______。

答案：+=0

解析：這是二維穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源導熱問題的拉普拉斯方程，它是根據(jù)傅里葉定律和能量守恒原理推導得出的。

三、簡答題（每題10分，共30分）

1.簡述導熱系數(shù)的影響因素。

答案：導熱系數(shù)是表征材料導熱能力的物理量，其影響因素主要有以下幾個方面：

材料的種類：不同種類的材料導熱系數(shù)差異很大。一般來說，金屬的導熱系數(shù)較大，因為金屬中有大量的自由電子參與導熱；液體的導熱系數(shù)次之；氣體的導熱系數(shù)最小，因為氣體分子間距離大，熱傳遞主要靠分子的碰撞。

溫度：對于大多數(shù)材料，導熱系數(shù)隨溫度變化。金屬的導熱系數(shù)一般隨溫度升高而減小，這是因為溫度升高時，晶格振動加劇，對自由電子的散射作用增強，阻礙了熱量傳遞。而對于非金屬固體和液體，導熱系數(shù)通常隨溫度升高而增大。氣體的導熱系數(shù)隨溫度升高而增大，因為溫度升高，分子的熱運動加劇，分子間的碰撞頻率增加，熱傳遞能力增強。

濕度：對于多孔性材料，濕度的增加會使導熱系數(shù)增大。這是因為水的導熱系數(shù)比空氣大得多，當材料中含有水分時，水分填充了部分孔隙，增加了熱量傳遞的途徑，從而提高了導熱系數(shù)。

密度：對于一些多孔材料，密度對導熱系數(shù)有影響。一般來說，密度較小的多孔材料，內(nèi)部孔隙率大，空氣含量多，導熱系數(shù)?。欢芏容^大的材料，孔隙率小，導熱系數(shù)相對較大。

2.比較自然對流和強制對流的特點。

答案：自然對流和強制對流是對流換熱的兩種不同形式，它們的特點如下：

產(chǎn)生原因：自然對流是由于流體內(nèi)部存在溫度差，導致密度不均勻，在重力作用下產(chǎn)生浮升力，使流體發(fā)生流動。例如，室內(nèi)暖氣周圍空氣的流動就是自然對流。強制對流是由于外力（如泵、風機等）的作用使流體流動。如用風機強制通風，使空氣在管道內(nèi)流動。

流動速度：一般情況下，強制對流的流速比自然對流大。強制對流可以通過調(diào)節(jié)外力的大小來控制流體的流速，而自然對流的流速取決于溫度差和流體的物性等因素，通常相對較小。

換熱強度：由于強制對流的流速大，流體的混合程度高，熱量傳遞更快，所以強制對流的換熱系數(shù)一般比自然對流大，換熱強度更強。例如，在相同的溫度條件下，用風扇吹過物體表面的換熱效果比物體自然散熱要好得多。

應(yīng)用場景：自然對流適用于一些對流速要求不高、不需要強烈換熱的場合，如小型電子設(shè)備的自然散熱、室內(nèi)的自然通風等。強制對流常用于需要快速散熱或加熱的場合，如汽車發(fā)動機的冷卻、工業(yè)設(shè)備的熱交換等。

3.簡述輻射換熱的特點。

答案：輻射換熱具有以下特點：

不需要介質(zhì)：輻射換熱是通過電磁波傳遞能量，它可以在真空中進行，這與導熱和對流需要介質(zhì)來傳遞熱量不同。例如，太陽向地球傳遞熱量就是通過輻射的方式，而太陽和地球之間是真空環(huán)境。

具有方向性：物體發(fā)射的輻射能在不同方向上的分布是不均勻的，遵循一定的規(guī)律。例如，黑體的輻射強度與方向有關(guān)，在半球空間內(nèi)的分布遵循蘭貝特定律。

具有選擇性：不同物體對不同波長的輻射能吸收和發(fā)射具有選擇性。例如，有些物體對某些波長的輻射能吸收能力強，而對其他波長的輻射能吸收能力弱。這一特性在太陽能集熱器的設(shè)計中得到應(yīng)用，通過選擇合適的涂層材料，使其對太陽輻射的吸收比高，而自身的發(fā)射比低，提高集熱效率。

輻射換熱過程伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換：物體在輻射換熱過程中，先將自身的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為輻射能發(fā)射出去，當輻射能投射到其他物體表面時，又被吸收轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

輻射換熱的熱流與溫度的四次方有關(guān)：根據(jù)斯蒂芬玻爾茲曼定律，黑體的輻射力與熱力學溫度的四次方成正比。對于實際物體之間的輻射換熱，熱流也與溫度的四次方密切相關(guān)，這使得輻射換熱在高溫時表現(xiàn)得更為明顯。

四、計算題（每題30分，共60分）

1.有一厚度為δ=0.2m的大平壁，兩側(cè)壁面溫度分別為=C和=C，平壁材料的導熱系數(shù)λ=1.5W/(m·K)，試求：

（1）平壁內(nèi)的溫度分布方程；

（2）通過平壁的熱流密度；

（3）平壁中心處的溫度。

解：

（1）對于常物性、無內(nèi)熱源的大平壁穩(wěn)態(tài)導熱，其溫度分布滿足線性關(guān)系。設(shè)平壁內(nèi)溫度t是距離x（從溫度為的壁面開始計算）的函數(shù)，根據(jù)傅里葉定律q=?λ，由于穩(wěn)態(tài)導熱熱流密度q為常數(shù)，對其積分可得：

qdx=