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2019年湖北武汉科技大学传热学考研真题及答案.doc
2019 年湖北武汉科技大学传热学考研真题及答案
一、名词解释(共 5 小题，每小题 5 分，共 25 分)
1、（5 分）热扩散率
2、（5 分）肋效率
3、（5 分）热对流
4、（5 分）珠状凝结
5、（5 分）定向辐射强度
二、推导及问答(共 5 小题，共 50 分)
1、（10 分）一大平板厚度δ，两侧表面温度为 t1 和 t2（t10,=0 和<0 时平板内部温度分布曲
线。
2、（10 分）什么是 Bi 数，采用集中总参数法求解非稳态导热问题的条件是什么？
3、（10 分）在对流温差大小相同的条件下,对于顶楼，夏季和冬季屋顶天花板内表面的对流
换热系数是否相同?为什么?
4、（10 分）什么是沸腾换热的临界热流密度？为什么加热热流密度通常要低于临界热流密
度。
5、（10 分）什么是辐射换热的兰贝特定律，黑体辐射在空间分布上有何特点，其定向辐射
强度与辐射力间有何关系。
三、计算题(共 4 小题，共 75 分)
1、（20 分）一蒸汽锅炉炉膛蒸发受热面管壁受到 1200℃烟气加热，管内沸水温度 200℃，
烟气与管外表面复合表面传热系数为 100W/m2.K，管内表面传热系数为 8000W/m2.K，管子外
径 52mm，厚度 6mm，管壁热导率λ=42W/m2.K，试计算以下两种情况单位长度传热量。
（1）换热表面干净；
（2）内外表面分别结了 1.5mm 和 0.5mm 厚度的污垢，假设内外表面污垢热导率分别为 1W/
（m.K）和 0.08W/（m.K），且没有改变管子表面复合传热系数。
2、(17 分)将初始温度 300℃、直径 10mm 的小球放入温度 20℃的气流中冷却，小球材料导
热系数λ=30W/(m.℃)，比热 c=465J/(kg.℃)，密度ρ=7790kg/m3。已知小球表面传热系数
为 20W/(m2.℃)，求小球冷却 2 分钟后的温度；如果想让小球温度降到 100℃，需要多少时
间，此时小球总换热量是多少。
3、(18 分)某内径 20mm、内壁 70℃的长铜管将冷水从进口 30℃加热到出口 50℃，若冷却水
进口流速为 4m/s，求水与管内壁的表面传热系数和换热管长度。已知管内单相对流传热准
则关联式和水物性简表如下：
fNu
.0
023
Re
8.0
f
Pr
4.0
f
11.0
f
w
(Re
f
10
4
)
水的物性简表：
t
λ
ρ
cp
（℃）
(W/(m℃))
(kg/m3)
(kJ/(kg℃)
ν106
（m2/s）
μ106
（Pas）
Pr
20
30
40
0.599
0.619
0.634
998.2
995.7
992.2
)
4.183
4.178
4.178
1.006
0.850
0.659
1004
801.2
653.1
7.02
5.42
4.31
50
70
0.648
0.668
988.1
977.8
4.183
4.187
0.556
0.406
549.2
415.1
3.54
2.55
4、（20 分）液氧储存器为双壁镀银的夹层结构，外壁内表面温度 27℃，内壁外表面温度
-173℃，镀银壁的发射率 0.02。试计算由于辐射换热每单位面积容器层的散热量，为了减
少热损失，内外壁之间增加一辐射屏，屏两侧表面发射率 0.02，求增加辐射屏后的散热量。
（20 分）
答案
一、名词解释(共 5 小题，每小题 5 分，共 25 分)
1、（5 分）热扩散率
答：热扩散率 a=λ/ρc，表示导热过程中材料的导热能力（）与沿途物质储热能力（c）
之间的关系。
2、（5 分）肋效率
答：肋片实际传热量与假设肋表面温度等于肋根温度的理想传热量之比，称为肋效率
3、（5 分）热对流
答：由于流体宏观运动引起流体各部分发生相对位移、冷热流体相互掺混所导致的热量传递
过程。
4、（5 分）珠状凝结
答：如果冷凝液与表面不能很好湿润，在表面形成一个个小液珠，称为珠状凝结。
5、（5 分）定向辐射强度
答：单位可见面积发射出去落在空间任意方向单位立体角内的辐射能，称为定向辐射强度。
二、推导及问答(共 5 小题，共 50 分)
1、（10 分）一大平板厚度δ，两侧表面温度为 t1 和 t2（t10,=0 和<0 时平板内部温度分布曲
线。
解：
q
0
1
(
b t
1
2
t
2
)
(
t
2
)
t
1
(
t
2
)
t
1
2、（10 分）什么是 Bi 数，采用集中总参数法求解非稳态导热问题的条件是什么？
答：Bi=hL/λ,表示导热体导热热阻与表面传热热阻之比；
集中总参数法的条件是导热体内部温度均匀，Bi 数小于 0.1M。
3、（10 分）在对流温差大小相同的条件下,对于顶楼，夏季和冬季屋顶天花板内表面的对流
换热系数是否相同?为什么?
答：夏季室内温度低于天花板温度,冬季正好相反,即夏季屋顶天花板内表面为热面朝下的自
然对流放热，而冬季为冷面朝下的自然对流换热，因此两者对流换热系数不相同，夏季对流
换热系数低于冬季。
4、（10 分）什么是沸腾换热的临界热流密度？为什么加热热流密度通常要低于临界热流密
度。
答：核态沸腾与过渡沸腾间的峰值热流密度称为临界热流密度；
如果热流密度超过临界热流密度，加热工况会直接跳到稳定膜态沸腾，壁面温度将猛升近千
度，可能导致设备烧毁。
5、（10 分）什么是辐射换热的兰贝特定律，黑体辐射在空间分布上有何特点，其定向辐射
强度与辐射力间有何关系。
答：黑体定向辐射力与其空间纬度角的余弦成比例。
黑体辐射在空间上分布不均匀，但定向辐射强度与角度无关，总等于辐射力除以圆周率。
三、计算题(共 4 小题，共 75 分)
1、（20 分）一蒸汽锅炉炉膛蒸发受热面管壁受到 1200℃烟气加热，管内沸水温度 200℃，
烟气与管外表面复合表面传热系数为 100W/m2.K，管内表面传热系数为 8000W/m2.K，管子外
径 52mm，厚度 6mm，管壁热导率λ=42W/m2.K，试计算以下两种情况单位长度传热量。
（1）换热表面干净；
（2）内外表面分别结了 1.5mm 和 0.5mm 厚度的污垢，假设内外表面污垢热导率分别为 1W/
（m.K）和 0.08W/（m.K），且没有改变管子表面复合传热系数。
答：（1）表面干净时
t
1
h d
o
1
h d
i
d
o
d
q
l
i
1
（2）外表面结灰后，
1 ln
2
i
o
3.14 (1200 200)
1
2 42
1
8000 0.04 100 0.052
15.81(
kw m
/
)
ln
0.052
0.04
q
l
1
(
h d
i
i
2 )
i
(
h d
o
o
1
2 )
o
1
)
kw m
/
5000 0.037 100 0.053
8.84(
1
t
o
d
ln
d
i
ln
1
2
d
3.14 (1000 200)
1
1
ln
2 42
2 1
1
2
i
0.052
0.04
i
1
d
i
2
2
i
o
d
o
ln
d
o
2
o
ln
0.04
0.037
1
2 0.08
ln
0.053
0.05 2
2、(17 分)将初始温度 300℃、直径 10mm 的小球放入温度 20℃的气流中冷却，小球材料导
热系数λ=30W/(m.℃)，比热 c=465J/(kg.℃)，密度ρ=7790kg/m3。已知小球表面传热系数
为 20W/(m2.℃)，求小球冷却 2 分钟后的温度；如果想让小球温度降到 100℃，需要多少时
间，此时小球总换热量是多少。
0.0011 0.033
，因此小球换热可以使用集中总参数法
解：
（1）
f
h V
F
t
t
t
20 0.005
30
exp(
3
h F
c V
p
0.672 (
t
t
0
)
f
Bi
t
t
t
f
f
（2）降到 100℃所需时间
t
t
c V
p
hF
t
t
ln
f
f
0
exp(
3 20 120
7790 465 0.005
20 0.672 (20 300)
)
0
) 0.672
208.2
℃
-
7790 465 0.005
3 20
ln
20 100
20 300
=378s
（3）
(300 100) 7790 465
4 3.14 0.005
3
3
200
Q
c V
p
=120.75
（J）
3、(18 分)某内径 20mm、内壁 70℃的长铜管将冷水从进口 30℃加热到出口 50℃，若冷却水
进口流速为 4m/s，求水与管内壁的表面传热系数和换热管长度。已知管内单相对流传热准
则关联式和水物性简表如下：
fNu
.0
023
Re
8.0
f
Pr
4.0
f
11.0
f
w
(Re
f
10
4
)
水的物性简表：
t
λ
ρ
cp
（℃）
(W/(m℃))
(kg/m3)
(kJ/(kg℃)
ν106
（m2/s）
μ106
（Pas）
Pr
20
30
40
50
70
0.599
0.619
0.634
0.648
0.668
998.2
995.7
992.2
988.1
977.8
)
4.183
4.178
4.178
4.183
4.187
1.006
0.850
0.659
0.556
0.406
1004
801.2
653.1
549.2
415.1
7.02
5.42
4.31
3.54
2.55
解：（1）水的平均温度
tf=(tf'+tf")/2=40℃
查水物性表有：
t
f
f
f
t
w
3
40
C
4178 / (
;
992.2
/
kg m cp
2
/
0.659 10
;
m s
f
415.1 10
80
w
C
);
kg C
J
f
6
653.1 10
Pas
6
Pas
6
;Pr
0.634
)
/ (
W m C
4.31
f
（2）计算雷诺数
Ref=ud/ν=4x0.02/(0.659x10-6)=1.214x105>104
（3）计算努塞尔数
Nu=0.023x(1.214x105)0.8x4.310.4x(653.1/415.1)0.11
=506.46
（4）计算表面传热系数
hf=λf/dxNuf=0.634/0.02x506.46=16054.8W/(m2K)
(5)计算管长
L=ρcpuπd2(tf"-tf')/[4πdh(tw-tf)]
=992.2x4178x4x0.02x(50-30)/[4x16054.8x(70-40)]
=3.44(m)
4、（20 分）液氧储存器为双壁镀银的夹层结构，外壁内表面温度 27℃，内壁外表面温度
-173℃，镀银壁的发射率 0.02。试计算由于辐射换热每单位面积容器层的散热量，为了减
少热损失，内外壁之间增加一辐射屏，屏两侧表面发射率 0.02，求增加辐射屏后的散热量。
（20 分）
解：因为容器夹层的间隙很小，可认为属于无限大平行表面间的辐射换热问题：
Eb1=C0x(Tb1/100)4=5.67x(300/100)4=459.27W/m2
Eb2=C0x(Tb2/100)4=5.67x(100/100)4=5.67W/m2
(1)没有插入隔热屏
φ=(Eb1-Eb2)/(1/ε1+1/ε2-1)
=(459.27-5.67)/(1/0.02+1/0.02-1)=4.58W/m2
（2）插入隔热屏后
φ'=(Eb1-Eb2)/(1/ε1+1/ε2+2/ε3-2)
=(459.27-5.67)/(1/0.02+1/0.02+2/0.02-2)=2.29W/m2
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