第2章　传热学

2.1　导热理论基础

单项选择题（每题的备选项中，只有1个最符合题意）

1．下列导热过程傅立叶定律表述中，不正确的是（　　）。[2012年真题]

A．热流密度与传热面积成正比　

B．导热量Q与温度梯度成正比

C．热流密度与传热面积无关

D．导热量Q与导热距离成反比

【答案】A

【解析】傅里叶导热定律用热流密度表示时，基本表达式为：，

导热量与热流密度之间的关系为：。

由上两式可知，导热系数恒定的条件下，导热量Q与温度梯度成正比，与导热距离成反比，方向指向温度降低方向；由热流密度计算式知，热流密度与面积无关，与面积成正比的是导热量。

2．当天气由潮湿变为干燥时，建筑材料的热导率可能会出现（　　）。[2014年真题]

A．木材、砖及混凝土的热导率均有明显增大

B．木材的热导率下降，砖及混凝土的热导率不变

C．木材、砖及混凝土的热导率一般变化不大

D．木材、砖及混凝土的热导率均会下降

【答案】D

【解析】像木材、砖、混凝土等多孔介质材料，潮湿情况下细孔中会有大量的液态水出现，由于水分的渗入，会发生水分从高温区向低温区迁移而传递热量的现象，致使导热系数较大，而干燥以后细孔中全是空气，液态的热导率大于气态的热导率，因此当天气由潮湿变为干燥时，整体的热导率会下降。

3．纯金属的热导率一般随着温度的升高而（　　）。[2013年真题]

A．不变

B．上升

C．下降

D．先上升然后下降

【答案】C

【解析】对于大多数纯金属，热导率随温度升高而下降；对于大部分合金，热导率则随温度升高而上升。如图2－1－1所示。

图2－1－1  热导率随温度变化关系

4．下列说法正确的是（　　）。[2011年真题]

A．空气热导率随温度升高而增大

B．空气热导率随温度升高而下降

C．空气热导率随温度升高而保持不变

D．空气热导率随温度升高可能增大也可能减小

【答案】A

【解析】气体导热系数在通常压力分为内变化不大，因而一般把导热系数仅仅视为温度的函数。如图2－1－2所示，空气的热导率随温度升高而增大。

图2－1－2  导热系数随温度变化

1－水蒸气；2－二氧化碳；3－空气；4－氢

5．下列物质的导热系数，排列正确的是（　　）。[2010年真题]

A．铝<钢铁<混凝土<木材　

B．木材<钢铁<铝<混凝土

C．木材<钢铁<混凝土<铝　

D．木材<混凝土<钢铁<铝

【答案】D

【解析】根据物质导热系数的机理，各种物质导热系数一般为λ_金>λ_液>λ_气；金属导热系数一般为12～418W／（m℃），液体导热系数一般为12～418W／（m℃），气体导热系数为0.006～0.6W／（m℃）。可知金属的导热系数要大于混凝土和木材；而钢铁和铝两种金属比较，铝的导热系数更大一些。

6．如果室内外温差不变，则用以下材料砌成的厚度相同的四种外墙中，热阻最大的是（　　）。[2005年真题]

A．干燥的红砖　

B．潮湿的红砖

C．干燥的空心红砖　

D．潮湿且水分冻结的红砖

【答案】C

【解析】保温材料要求使用材料的热阻尽量大，即导热系数尽量小。干砖的导热系数为0.35W／（m·K），而湿砖的导热系数可达1.0W／（m·K），因此，干砖的热阻最大，保温性好。空气的导热系数为0.02W／（m·K），是热的不良导体，小于水的导热系数。因此，保温砖做成空心的增大了导热热阻，保温性能更强，而且也满足了建筑节能的要求。

7．一固体壁面与流体相接触，内部的温度变化遵循热传导方程，其边界条件为（　　）。[2009年真题]

A．　

B．

C．　

D．

【答案】A

【解析】给定边界周围流体温度和边界面与流体之间的表面传热系数，利用第三类边界条件，可得对流边界条件式为：。

8．如图2－1－3所示，有一长圆柱，两端温度是，其导热系数为，圆柱的外柱面是完全绝热的，圆柱内部具有热源强度为的均匀内热源。正确描述这圆柱内稳态温度分布的微分方程是（　　）。[2006年真题]

A．　  　 

B．

C． 

D．

图2－1－3

【答案】B

【解析】柱坐标系的导热微分方程表达式为

，本题是柱坐标系下沿半径方向有内热源的一维的稳态导热，上述方程中左边项、右边第二项、第三项都为零，偏导数改为导数后，导热微分方程为

。

9．传热的基本方式是（　　）。

A．导热、对流和辐射　

B．导热、对流换热和辐射

C．导热、对流和辐射换热　

D．导热、对流换热和辐射换热

【答案】A

【解析】根据传热机理的不同，传热的基本方式分为三种，即导热(或热传导)、对流(或热对流)和辐射(或热辐射)。

10．导热可以发生在下列几种情况中的（　  ）。

A．仅固体

B．仅液体

C．固体、液体及气体

D．仅气体

【答案】C

【解析】导热是依靠分子、原子等微观粒子的热运动进行的热量传递，可发生在任何物质中。

11．按照导热机理，在水的三种状态下，其中（　  ）的热导率最小。

A．冰　

B．液态水　

C．水蒸气　

D．冰水混合物

【答案】C

【解析】同种物质在不同的状态下导热率也不相同。一般情况下，物质固相热导率>液相热导率>气相热导率。

12．在一般情况下，与固体材料的导热系数有关的因素是（　  ）。

A．温度、密度、湿度

B．温度、压力、密度

C．压力、湿度、温度

D．温度、压力、体积

【答案】A

【解析】导热系数属于材料的热物性参数，主要影响因素包括物质状态、成分、结构、温度、湿度、压强和密度等。

13．关于材料的热导率，下列哪个说法是正确的（　　）。

A．一般情况下，物质固相热导率>液相热导率>气相热导率

B．热导率与温度成线性关系

C．物质的热导率因物质种类而异，与其他因素无关

D．物质的导热机理是相同的

【答案】A

【解析】同种物质在不同的状态下导热率也不相同。一般情况下，物质固相热导率>液相热导率>气相热导率；在一定温度范围内，热导率可近似认为是温度的线性函数，但并不是对所有温度范围内都适用；热导率属于材料的热物性参数，其主要影响因素除了物质种类之外还包括物质状态、成分、结构、温度、含水率、压强和密度等；不同状态的物质有不同的导热机理：气体依靠分子热运动和相互碰撞来传递热量，非导电固体通过晶格结构来传递热量，金属导热主要靠自由电子，液体依靠不规则的弹性振动传递热量。

14．冬天的时候，棉被经过白天晾晒，晚上人盖着感觉暖和，是因为（　　）。

A．棉被中蓄存了热量，晚上释放出来了

B．棉被内表面的表面传热系数减小了

C．棉被变厚了，棉被的导热系数变小了

D．棉被外表面的表面传热系数减小了

【答案】C

【解析】棉被经过晾晒以后，棉絮松散了，可使棉花的空隙里进入更多的空气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小，因此具有良好的保温性能。而经过拍打的棉被变厚了，可以让更多的空气进入，棉被的导热系数变小了。

15．傅立叶定律表明了导热过程中的热流矢量与温度梯度（　　）。

A．成正比，方向相反　

B．成正比，方向相同

C．成反比，方向相反　

D．成反比，方向相同

【答案】A

【解析】根据傅立叶定律，可知热流矢量与温度梯度成正比，二者方向相反。

2.2　稳态导热

单项选择题（每题的备选项中，只有1个最符合题意）

1．一维大平壁内稳态无内热源导热过程中，当平壁厚度一定时，不正确的说法是（　　）。[2013年真题]

A．平壁内温度梯度处处相等

B．材料导热率大，则壁面两侧温差小

C．导热率与温度梯度的积为常数

D．热流量为常数

【答案】A

【解析】根据傅里叶导热定律，一维大平壁的热流密度为：，稳态导热热流密度q为常数，则平壁内的温度梯度与材料的热导率成反比。当材料的热导率不随温度的变化而变化，平壁内温度梯度处处相等；当热导率随温度的变化而变化，平壁内温度梯度不再处处相等。

2．在双层平壁无内热源常物性一维稳态导热计算过程中，如果已知平壁的厚度和热导率分别为、、和，如果双层壁内、外侧温度分别为和，则计算双层壁交界面上温度错误的关系式是（　  ）。[2011年真题]

A．　

B．

C．　

D．

【答案】D

【解析】常物性无内热源一维稳态导热，热流密度是常数，热流密度等于温差与所对应的热阻之和的比值，根据本题已知条件可写成。

3．采用稳态平板法测量材料的导热系数时，依据的是无限大平板的一维稳态导热问题的解。已知测得材料两侧的温度分别是60℃和30℃，通过材料的热流量为1W。若被测材料的厚度为30mm，面积为0.02m²，则该材料的导热系数为（　  ）W／（m·K）。[2007年真题]

A．5.0　

B．0.5　

C．0.05　

D．1.0

【答案】C

【解析】根据一维平壁稳态导热公式，得出即

。

4．对于无限大平壁的一维稳态导热，下列陈述中哪一项是错误的？ （　　）[2007年真题]

A．平壁内任何平行于壁面的平面都是等温面

B．在平壁中任何两个等温面之间温度都是线性变化的

C．任何位置上的热流密度矢量垂直于等温面

D．温度梯度的方向与热流密度的方向相反

【答案】B

【解析】当平壁的导热系数为常数时，在平壁中任何两个等温面之间的温度都是线性变化的。当平壁的导热系数随着温度变化（）时，任何两个等温面之间的温度都是非线性变化的。如图2－2－1所示。

图2－2－1  无限大平壁导热

5．一建筑的外墙由A、B两层材料复合而成，内层是材料A，其导热系数为，壁厚为。外层材料是B，导热系数为，壁厚为。内侧空气温度为，与壁面的对流传热系数为，外侧空气温度为，与壁面的对流传热系数为。若已知两层材料交界面的温度为，则以下关于传热量计算的公式中，正确的是（　　）。[2008年真题]

A．　 

B．

C．　 

D．

【答案】C

【解析】满足第三类边界条件:厚度为R的无限大平壁、无内热源、常物性，则可利用第三类边界条件的表达式及傅里叶定律或直接应用热阻串联的概念可得。式中，分别为平壁两侧的流体温度，单位为℃；h₁、h₂分别为两侧流体的表面传热系数，单位为W／(m²·K)。本题根据已知条件可得:

。

6．圆柱壁面双层保温材料敷设过程中，为了减少保温材料用量或减少散热量，应该采取措施是（　　）。[2011年真题]

A．热导率较大的材料在内层　

B．热导率较小的材料在内层

C．根据外部散热条件确定

D．材料的不同布置对散热量影响不明显

【答案】B

【解析】圆柱壁面内侧温度变化率较大，将导热率较小的材料在内层，以减少散热量，充分发挥其保温作用。

7．单层圆柱体内一维径向稳态导热过程中，无内热源，物性参数为常数，则下列说法正确的是（　　）。[2010年真题]

A．导热量为常数　

B．导热量为半径的函数

C．单位长度热流量为常数　

D．单位长度热流量只是长度的函数

【答案】C

【解析】，，根据题意，圆柱内外径已知，长度不确定，则单位长度热流量为常数，而导热量为长度的函数。

8．在外径为133mm的蒸汽管道外覆盖保温层，管道内是温度为300℃饱和水蒸气。按规定，保温材料的外层的温度不得超过50℃。若保温材料的导热系数为0.05W／（m·℃），保温层厚度为46mm，则每米管道的热损失应为（　  ）W。[2009年真题]

A．250　

B．150　

C．50　

D．350

【答案】B

【解析】忽略水蒸气与管道内壁的对流换热热阻和管道材料本身的导热热阻。设保温材料厚度为，则

。

9．在外径为133mm的蒸汽管道外覆盖保温层，管道内是温度为300℃饱和水蒸气。按规定，保温材料的外层的温度不得超过50℃。若保温材料的导热系数为0.05W／（m·℃），为把管道热损失控制在150W／m以下，保温层厚度至少应为（　　）mm。[2006年真题]

A．92　

B．46　

C．23　

D．184

【答案】B

【解析】忽略水蒸气与管道内壁的对流换热热阻、忽略管道材料本身的导热热阻。设保温材料厚度为，若要把管道损失控制在150W／m以下，则要求：，代入数据：

，解得：。

10．在一条蒸汽管道外敷设厚度相同的两层保温材料，其中材料A的导热系数小于材料B的导热系数，若不计导热系数随温度的变化，仅从减小传热量的角度考虑，哪种材料应敷在内层？（　　）[2005年真题]

A．材料A　

B．材料B　

C．无所谓　

D．不确定

【答案】A

【解析】对于圆筒形材料散热问题，内侧温度变化率较大，故将导热系数较小的材料布置在内侧，将充分发挥其保温作用。

11．外径为50mm和内径为40mm的过热高压高温蒸汽管道在保温过程中，如果保温材料热导率为0.05W／（m·K），外部表面总散热系数为5W／（m²·K），此时（　　）。[2014年真题]

A．可以采用该保温材料

B．降低外部表面总散热系数

C．换选热导率较低的保温材料

D．减小蒸汽管道外径

【答案】A

【解析】圆柱体的临界热绝缘直径因此本保温材料在外保温可以增加保温效果。B选项会使临界热绝缘直径变大，C选项会使临界热绝缘直径变小但无太大意义，D选项与本题考查内容基本无关，是干扰项。

12．外径为25mm和内径为20mm的蒸汽管道进行保温计算时，如果保温材料热导率为0.12W/（m·K），外部表面总散热系数为12W/（m²·K），则热绝缘临界直径为（　  ）mm。[2012年真题]

A．25　

B．20　

C．12.5　

D．10

【答案】B

【解析】临界绝热直径为：

。

当管道直径小于临界热绝缘直径d_c时，管道的传热量反而比没有绝缘层时大。直到继续增大到某一临界值，绝缘层才起到减少热损失的作用。一般在电缆中应用较多；当管道直径大于临界直径d_c时，覆盖绝缘层才能有效地起到保温的作用。故d_c=20mm。

13．一条架设在空气中的电缆外面包敷有绝缘层，因通电而发热，在稳态条件下，若剥掉电缆的绝缘层而保持其他条件不变，则电缆的温度会发生什么变化？（　　）[2008年真题]

A．升高　

B．降低

C．不变　

D．不确定

【答案】A

【解析】由于电缆外面包敷的绝缘层的临界热绝缘直径是大于电缆外径的，绝缘层不仅能起电绝缘作用，还减少热阻，有加强电缆散热作用。若剥掉电缆的绝缘层而保持其他条件不变，电缆的热阻增加，温度升高。

14．当导热过程在两个直接接触的固体表面之间进行，为了减小接触热阻，下列做法错误的是（　　）。

A．降低接触表面的粗糙度

B．增大接触面上的挤压压力

C．在接触表面之间衬以导热系数大且硬度大的材料

D．在接触表面之间涂上一层导热系数大的油脂

【答案】C

【解析】减小接触热阻常用的方法有降低接触表面的粗糙度、增大接触面上的挤压压力、增加接触面的平行度、在接触表面之间加导热系数大的导热油脂或硬度小延展性好的金属箔。若衬以硬度大、导热系数小的材料会使接触状况更遭、接触热阻增大。

15．炉墙平壁用两层同样厚度的保温材料保温，两种材料的导热系数分别为、()，、为常数，下列说法正确的是（　  ）。

A．将的材料放在内侧，则保温效果好

B．将的材料放在内侧，则保温效果好

C．无论保温材料怎么放置，保温效果一样

D．无法确定

【答案】C

【解析】对平壁保温材料而言，材料的导热系数与温度无关，由于传递的热流密度为常数，故无论两种保温材料如何放置，保温效果都是一样的。

16．设某单层平壁的导热系数为，则壁内温度分布线的形状为（　  ）。

A．双曲线

B．直线

C．折线

D．由b值为正或负来确定曲线的形状

【答案】D

【解析】根据，其中为常量，由此可知曲线的形状由值为正或负来确定。

17．炉墙由耐火砖、绝热材料和铁板组成，耐火砖层的导热系数为1.047W／（m·K），厚度为50mm；绝热材料层的导热系数为0.116W／（m·K）；铁板的导热系数为58W／（m·K），厚度为5mm。热流密度为465W／m²，耐火砖内表面温度为600℃，铁板外表面温度为40℃，则绝热材料的厚度、绝热材料两面的温度依次为（　　）。

A．134mm、547.8℃、40.7℃　

B．134mm、577.8℃、40.7℃

C．144mm、577.8℃、40.7℃　

D．144mm、547.8℃、40.7℃

【答案】B

【解析】根据得平壁导热热阻，又由

解得绝缘材料厚度；绝缘材料内表面温度

；绝缘材料外表面温度

。

18．外径为108mm的钢管，壁厚4mm，导热系数为45W／（m·K），管外为45mm厚的玻璃棉保温材料，导热系数为0.058W／（m·K），内表面的表面传热系数为300W／℃，保温外表面的表面传热系数为30W／℃，钢管内表面温度为90℃，周围环境温度为20℃，则管和保温材料的单位长度的导热热阻为（　　）。

A．2.72×10^－4m·K／W　

B．1.664m·K／W

C．0.0033m·K／W　

D．0.033m·K／W

【答案】B

【解析】从管内壁开始，各层的直径分别为，，。管和保温材料单位长度导热热阻。

19．当管道外径为的管道采取保温措施时，应当选用临界热绝缘直径（　  ）的材料。

A．大于 

B．没有要求

C．小于 

D．等于

【答案】C

【解析】所对应的总热阻为极小值时的绝缘层外径为临界热绝缘直径，也就是说当绝缘层外径为临界热绝缘直径时散热量最大。因此，当管道外径大于临界热绝缘直径时，总热阻总是大于极小值，这样，加热绝缘材料保温就有效。

20．半径为4mm的电线包一层厚3mm、导热系数的橡胶，设包橡胶后其外表面与空气间的表面传热系数(对流换热系数)。计算热绝缘直径，并分析橡胶的作用。（　　）

A．14.8mm，减少散热

B．14.8mm，增强散热

C．12.0mm，增强散热

D．12.0mm，减少散热

【答案】B

【解析】当橡胶的外径小于热绝缘直径，橡胶可以增强电线与空气间的散热。由于

，而，所以橡胶可以增强电线与空气间的散热。

21．由两种几何尺寸相同、导热系数不同材料构成的直肋，设，且肋表面传热系数及周围流体温度相同，则有（　　）。

A．肋片的平均温度，肋效率

B．肋片的平均温度，肋效率

C．肋片的平均温度，肋效率

D．肋片的平均温度，肋效率

【答案】A

【解析】根据肋端过余温度计算式：，其中，即值与成反比。则由可得，故，这意味着肋片1表面的平均温度较高，即。又根据得肋效率

。

22．等截面直肋，提高肋片效率，下列方法正确的是（　　）。

A．增加肋片的导热系数

B．增大肋片的表面传热系数

C．减小肋片的厚度

D．增加肋片的长度

【答案】A

【解析】等截面直肋散热的影响因素见表2－2－1。

表2－2－1  等截面直肋散热的影响因素

2.3　非稳态导热

单项选择题（每题的备选项中，只有1个最符合题意）

1．在非稳态导热过程中，根据温度的变化特性可以分为三个不同的阶段，下列说法中不正确的是（　　）。[2014年真题]

A．在0.2<Fo<∞的时间区域内，过余温度的对数值随时间线性变化

B．Fo<0.2的时间区域内，温度变化受初始条件影响最大

C．最初的瞬态过程是无规则的，无法用非稳态导热微分方程描述

D．如果变化过程中物体的Bi数很小，则可以将物体温度当作空间分布均匀计算

【答案】C

【解析】非稳态的三个阶段中，初始阶段和正规状态阶段是以Fo=0.2为界限。A选项，在正规状态阶段，过余温度的对数值随时间按线性规律变化，正确；B选项，小于0.2的为初始阶段，这个阶段内受初始条件影响较大，而且各个部分的变化规律不相同，因而正确；C选项，非稳态的导热微分方程在描述非稳态问题时并未有条件限制，即便是最初阶段也是可以描述的，因而不正确；D选项，当Bi较小时，意味着物体的导热热阻接近为零，因此物体内的温度趋近于一致，这也是集总参数法的解题思想，因而也正确。

2．非稳态导热过程中物体的Bi数用于描述物体的（　　）。[2013年真题]

A．内部的导热传递速度或能力

B．边界上的散热速度或能力

C．内部导热能力与边界对流换热能力比值关系

D．内部导热热阻与边界对流换热热阻比值关系

【答案】D

【解析】由毕渥数定义式：可知，毕渥数表征物体内部导热热阻与物体表面对流换热热阻的比值，数值的大小直接反映物体内的温度分布状况。

3．采用集总参数法计算物体非稳态导热过程时，下列用以分析和计算物体的特征长度的方法中，错误的是（　　）。[2012年真题]

A．对于无限长柱体，对于圆球体，为半径

B．对于无限大平板，为平板厚度的一半

C．对于不规则物体＝（体积）／（散热面积）

D．对于普通圆柱体，为半径

【答案】D

【解析】当时，物体表面的对流热阻远大于物体的导热热阻，热量在物体内部的传导无限快，可近似认为物体温度是均匀的，可以采用集总参数法。计算物体非稳态导热过程时，特征尺度确定标准为：①对于无限大平板，L=δ，δ为平板厚度的一半；②对于无限长圆柱体，L=R／2；③对于圆球体，L=R／3，R为半径；④对于不规则的物体，L=V（体积）／F（散热面积）。

4．将初始温度为的小铜球放入温度为的水槽中，如果用集总参数法来分析，则在经过的时间等于时间常数时，铜球的温度应为（　　）。[2009年真题]

A． 

B．

C．  

D．

【答案】D

【解析】由非稳态导热温度场与与时间关系：可知，当

时，。整理后得，

5．一小铜球，直径为12mm，导热系数为26W／（m·K），密度为8600kg／m³，比热容为343J／（kg·K），对流传热系数为48W／（m²·K），初始温度为15℃，放入75℃的热空气中，小球温度到70℃需要的时间为（　  ）s。[2010年真题]

A．915　

B．305　

C．102　

D．50

【答案】B

【解析】由于，可以利用集中参数法。应用集中参数法列式为：

，求得时间为：

。

6．下列几种表达准则的含义，正确的应是（　　）。

A．准则愈大，则物体内部导热热阻愈大

B．准则愈小，则物体内部导热热阻愈大

C．准则愈大，则物体内部温度愈快趋向于一致

D．准则表示物体内部导热热阻与物体表面对流换热热阻之比

【答案】D

【解析】根据毕渥数的定义，是导热热阻与表面对流换热热阻的比值，即，Bi数值的大小直接反映物体内的温度分布状况。Bi越小，表示内热阻越小，外部热阻越大；Bi越大，则意味着物体内部温度场的不均匀性非常强烈，情况较复杂。

7．关于和准则，下列说法错误的是（　  ）。

A．Bi和Nu的表达式一样，式中物理量含义相同

B．Bi是反映瞬态稳态导热问题的无量纲准则

C．Nu是反映对流换热问题的无量纲准则

D．Bi准则和Nu准则没有关系

【答案】A

【解析】Bi和Nu的表达式一样，都是，但式中物理量含义不同：Bi数中，是导热物体的导热系数；Nu数中，是流体的导热系数。Nu数的物理意义表示壁面附近的流体的无量纲温度梯度，它表示流体对流换热的强弱；Bi数的物理意义是导热体内部导热热阻与外部对流热阻的相对大小。

8．在下列哪种情况下可用集总参数法求解物体的瞬态加热或冷却问题（　　）。

A．物体几何尺寸很小 　

B．物体导热热阻很小

C．物体导热系数很大　

D．物体与流体间表面传热系数很大

【答案】B

【解析】毕渥数的定义为，又根据导热热阻可知：当导热热阻很小时，毕渥数很小，故可用集总参数法求解物体瞬态加热或冷却的问题。

9．一直径为0.5mm的热电偶，热电偶材料的，，。热电偶初始温度为25℃，突然将其放入120℃的气流中，热电偶表面与气流间的表面传热系数，求热电偶的过余温度达到初始过余温度的1%时所需的时间为（　　）s。

A．8～12

B．13～17

C．18～22

D．23～27

【答案】B

【解析】由于，故可以采用集总参数法计算。根据

得，代入数据解得。

10．将温度为20℃的热电偶突然放入200℃的空气中，10s后测得热电偶的温度为80℃，则热电偶温度上升到180℃所需要的时间为（　　）。

A．49.25s

B．54.19s

C．65.36s

D．35.12s

【答案】B

【解析】根据可得，代入数据即可求得热电偶温度上升到180℃所需时间

。

2.4　导热问题数值解

单项选择题（每题的备选项中，只有1个最符合题意）

1．采用有限差分法进行导热过程数值计算时，可以有多种离散格式方式，下列不适用的方法是（　　）。[2010年真题]

A．边界节点，级数展开法　

B．边界节点，热量守恒法

C．中心节点，级数展开法　

D．中心节点，热量守恒法

【答案】A

【解析】一般常用的离散格式方式有级数展开法和热量守恒法两种。中心节点这两种方法都可以，边界节点只适合热量守恒法，不适用级数展开法。

2．常物性无内热源二维稳态导热过程，在均匀网格步长下，如图2－4－1所示的平壁面节点处于第二类边界条件时，其差分格式为（　　）。[2014年真题]

图2－4－1

A．

B．

C．

D．

【答案】D

【解析】节点1为边界节点，其节点方程为：

 

则。

本题选项都是错误的，答案中无正确选项，其中较为接近的是D选项。

3．常物性无内热源二维稳态导热过程，在均匀网格步长下，如图2－4－2所示的拐角节点处于第三类边界条件时，其差分格式为（　　）。[2012年真题]

图2－4－2

A．　

B．

C．　

D．

【答案】D

【解析】第三类边界条件：已知壁面相邻流体温度和表面传热系数。本题图示拐角节点1所代表的微元体为四分之一网格，由热平衡关系式列节点1的平衡方程：

，整理后可得：。

4．对于图2－4－3中的二维稳态导热问题，具有均匀内热源，内热源强度为，右边界绝热边界条件，如果采用有限差分法求解，当时，则在下面的边界节点方程式中，哪一个是正确的？（　　）[2007年真题]

图2－4－3

A．

B．

C．　 

D．

【答案】D

【解析】由热平衡法，根据第二类边界条件列节点4的节点方程：

因为Δx=Δy，带入整理得：。

5．对于图2－4－4中的二维稳态导热问题，右边界是恒定热流边界条件，热流密度为_w，若采用有限差分法求解，当时，则在下面的边界节点方程式中，正确的是（　　）。[2006年真题]

A．

B．

C．　 

D．

图2－4－4

【答案】B

【解析】边界节点离散方程在第一类边界条件下，因边界节点的温度已给定，无需建立边界节点的方程，其温度值会进入到与之相邻的内节点方程中。对于第二及第三类边界条件，则必须建立边界节点的节点方程，从而使整个节点方程组封闭，利于求解。则根据图2列节点4的热平衡方程：

，由，整理上式得。

6．对于图2－4－5中二维稳态导热问题，右边界是绝热的，如果采用有限差分法求解，当时，则在下面正确的边界节点方程中是（　　）。[2005年真题]

A．　 

B．

C．　 

D．

图2－4－5

【答案】B

【解析】边界节点离散方程在第一类边界条件下，因边界节点的温度已给定，无需建立边界节点的方程，其温度值会进入到与之相邻的内节点方程中。对于第二及第三类边界条件，则必须建立边界节点的节点方程，从而使整个节点方程组封闭，利于求解。则根据图2－4－5列节点4的热平衡方程

，又，整理上式得：。

7．常物性无内热源一维非稳态导热过程第三类边界条件下边界节点由热平衡法的显示差分格式得到离散方程，进行计算时要达到收敛需满足（　　）。[2011年真题]

A．

B．

C．　 

D．

【答案】C

【解析】如图2－4－6所示，用热平衡法建立常物性无内热源一维非稳态导热第三类边界条件下边界节点由热平衡法的显示差分格式的离散方程为

，

由此可知显式差分格式的稳定性条件，则。

图2－4－6  显式差分

8．对于一维非稳态导热的有限差分方程，如果对时间域采用显式格式进行计算，则对于内部节点而言，保证计算稳定性的判据为（　　）。[2008年真题]

A．　

B．　

C．　

D．

【答案】C

【解析】对于非稳态导热的显式格式，其数值解的稳定性要受到稳定性条件的限制。对于内部节点的稳定性条件是：Fo≤1/2；对于第三类边界条件的稳定性条件是：。

9．对于稳态、非稳态、显格式或隐格式离散方程组的求解，下列说法中正确的是（　　）。[2013年真题]

A．显格式离散方程组求解永远是发散的

B．隐格式离散方程组求解是收敛的

C．时间采用隐格式、空间采用显格式是收敛的

D．稳态条件下的各种差分格式都是收敛的

【答案】B

【解析】AC两项，内节点显式差分方程使用具有稳定性条件，即和的选择要满足：，错误；B项，而隐式差分格式是无条件使用的，和的选择相互独立，正确；D项，稳态条件下的中心差分格式也有可能是发散的，错误。

10．不稳态导热采用有限差分方法求解温度场，关于差分方程，下列说法错误的是（　　）。

A．显式差分格式是温度对时间的一阶导数采用向前差分获得，具有稳定性条件

B．隐式差分格式是温度对时间的一阶导数采用向后差分获得，没有稳定性条件

C．显式差分格式中温度对位置的二阶导数采用中心差分格式获得

D．隐式差分格式是温度对位置的二阶导数采用向后差分获得

【答案】D

【解析】显式差分格式中，温度是对时间的一阶导数，采用向前差分；温度是对位置的二阶导数，采用中心差分格式，具有稳定性条件。隐式差分格式中，温度是对时间的一阶导数，采用向后差分；温度是对位置的二阶导数，采用中心差分格式，没有稳定性条件。

11．对于一维、无内热源、非稳态导热问题，求解内节点差分格式方程的稳定性条件是（　　）。

A．显式差分格式方程，

B．显式差分格式方程，

C．隐式差分格式方程，

D．隐式差分格式方程，

【答案】A

【解析】内节点显式差分方程使用具有稳定性条件，即和的选择要满足：；而隐式差分格式是无条件使用的，和的选择相互独立，但会影响结果的准确程度。

12．温度对的一阶导数的向后差分格式应为（　　）。

A．

B．

C．

D．

【答案】A

【解析】由一阶导数的向后差分定义即可得温度对的差分格式应为。

13．对于一个二维、无内热源、常物性的稳态导热问题，其中任意一个内节点的节点方程式应为（　　）。

A．

B．

C．

D．

【答案】B

【解析】由于这是一个二维、无内热源、常物性的稳态导热问题，故根据热平衡法列得节点的热平衡方程为：

，

取均匀网络即代入化简得。

2.5　对流换热分析

单项选择题（每题的备选项中，只有1个最符合题意）

1．流体外掠平板形成边界层，下列关于边界层厚度及流动状态表述中，不正确的说法是（　　）。[2012年真题]

A．边界层内可以依次出现层流和湍流

B．随着板长度增加，边界层厚度趋于定值

C．边界层厚度与来流速度及板面粗糙度有关

D．当流动长度较大时，边界层内可以出现湍流

【答案】B

【解析】流体流过平板时，流场可分为边界层区和主流区，边界层区流体粘性起主要作用。流体外略平板过程中，如果平板不够长，到达平板边界时没有发生边界层分离，则不会形成湍流态，因而边界层内可以依次是层流和湍流，而不是一定包括层流和湍流；如果板长增加，流体则会由层流态向湍流态过度，不会趋于稳定，如图2－5－1所示：

图2－5－1  流体外掠平板边界层

2．在温度边界条件和几何条件相同的情况下，湍流受迫对流传热系数要高于层流对流传热系数，其原因是（　　）。[2005年真题]

A．流速的提高增加了流体携带能量的速率

B．湍流时产生了强烈的横向脉动

C．流动阻力增加

D．对流输送能量的增加和流体横向脉动的共同作用

【答案】D

【解析】湍流传递动量的能力比层流的强。由于达到了湍流，流体发生横向脉动，增强换热能力。所以，湍流受迫对流传热系数要高于层流对流传热系数，这是由于对流输送能量的增加和流体横向脉动的共同作用。

3．温度为的空气以速度掠过温度恒为_w的平壁时的层流受迫对流传热问题，在一定条件下可以用边界层换热积分方程求解。用这种方法得到的对流传热准则关系式表明，局部对流传热系数沿流动方向的变化规律为（　　）。[2009年真题]

A．　

B．　

C．　

D．

【答案】D

【解析】温度为的空气以速度掠过温度恒为_w的平壁时的层流受迫对流传热的经验准则关联式为

，由，得到，所以。

4．采用对流换热边界层微分方程组，积分方程组或雷诺类比法求解对流换热过程中，正确的说法是（　　）。[2010年真题]

A．微分方程组的解是精确解　

B．积分方程组的解是精确解

C．雷诺类比的解是精确解

D．以上三种均为近似值

【答案】A

【解析】对流换热的求解方法包括分析法、类比法和实验法。分析法包括微分方程组求解和积分方程组求解。在所有方法中，只有微分方程组的解是精确解；积分方程组的求解要先假设速度和温度的分布，因此是近似解；雷诺类比的解是由比拟理论求得的，也是近似解。

5．下列换热工况中，可能相似的是（　　）。[2014年真题]

A．两圆管内单相受迫对流换热，分别为加热和冷却过程

B．两块平壁面上自然对流换热，分别处于冬季和夏季工况

C．两圆管内单相受迫对流换热，流体分别为水和导热油

D．两块平壁面上自然对流换热，竖放平壁分别处于空气对流和水蒸气凝结

【答案】C

【解析】相似判定的三要素为：要保证同类现象、单值性条件相同、同名的已定准则相等。对于对流换热现象，单值性条件包括：①几何条件，如换热表面的形状和尺寸等；②物理条件，如流体的类别和物性等；③边界条件，如进出Vι温度，壁面温度等；④时间条件，各物理量是否随时间变化及如何变化。A、B选项不满足同类现象，D选项不满足同名的准则相等。

6．确定同时存在自然对流和受迫对流的混合换热准则关系的是（　　）。[2014年真题]

A．Nu=f（Gr,Pr）

B．Nu=f（Re，Pr）

C．Nu=f（Gr，Re，Pr）

D．Nu=f（F_O，Gr，Re）

【答案】C

【解析】自然对流受Gr和Pr影响，受迫对流受Pr和Re影响，所以选A选项是自然对流准则关系式，B选项是受迫对流准则关系式；又因为自然对流和受迫对流同时存在，所以只有C选项符合条件。

7．用来描述流动边界层厚度与热边界层厚度之间关系的相似准则是 （　　）。[2006年真题]

A．雷诺数　

B．普朗特数

C．努塞尔特数　

D．格拉晓夫数

【答案】B

【解析】普朗特数（）可用来描述流动边界层厚度与热边界层厚度之间关系的相似准则，即。A项，雷诺数（），反映流体流动时惯性力与黏滞力的相对大小；C项，努塞尔特数（）表征壁面法向流体无量纲过余温度梯度的大小，它既反映对流换热的强弱，又表示层流底层的导热阻力与对流传热阻力的比例；D项，格拉晓夫数（）反映浮升力与黏滞力的相对大小。

8．能量和动量的传递都是和对流与扩散相关的，因此两者之间存在着某种类似。可以采用雷诺比拟来建立湍流受迫对流时能量传递与动量传递之间的关系，这种关系通常表示为（　　）。[2007年真题]

A．雷诺数与摩擦系数的关系

B．斯坦登数与摩擦系数的关系

C．努塞尔数与摩擦系数的关系

D．格拉晓夫数与的关系

【答案】B

【解析】平板对流换热时的修正雷诺比拟式为：，式中斯坦登数；当时，即可得到雷诺比拟式。故雷诺比拟反映的是斯坦登数与摩擦系数的关系。

9．空气与温度恒为的竖直平壁进行自然对流传热，远离壁面的空气温度为。描述这一问题的相似准则关系式包括以下哪三个相似准则？（　　）[2008年真题]

A．雷诺数，普朗特数，努塞尔特数

B．格拉晓夫数，雷诺数，普朗特数

C．普朗特数，努塞尔数，格拉晓夫数

D．雷诺数，努塞尔数，格拉晓夫数

【答案】C

【解析】自然对流传热的相似准则关系式为：，因此，描述自然对流传热的相似准则包括普朗特数Pr、努塞尔特数Nu、格拉晓夫数Gr。

10．在对流换热过程中，两个现象相似的条件是（　　）。[2013年真题]

A．满足同一准则关联式及单值性条件

B．速度与温度分布相似，且单值性条件相同

C．只要满足几何相似、速度与温度分布相似及同类现象

D．同类现象的换热过程，同名准则对应相等，单值性条件相似

【答案】D

【解析】判定两个现象相似的条件是：①同类现象的换热过程；②同名准则数对应相等；③单值性条件相似。单值性条件包括几何条件、物理条件、边界条件和时间条件。两个现象必须是同类现象，假如一个是自然对流，一个是沸腾换热，则不属于同类现象。

11．牛顿冷却公式的正确表达式应是（　  ）。

A．

B．

C．

D．

【答案】C

【解析】牛顿冷却公式用来计算对流传热量，其表达式为，即。

12．理论求解对流换热问题时，需要的方程组组成应为（　  ）。

A．连续性方程、动量微分方程和能量微分方程

B．对流换热过程微分方程、连续性方程、动量微分方程和能量微分方程

C．傅里叶定律、连续性方程、动量微分方程和能量微分方程

D．对流换热过程微分方程、傅里叶定律、动量微分方程和能量微分方程

【答案】A

【解析】对流传热系数的数学分析解需要联立求解对流传热微分方程组，对流传热微分方程组包括连续性方程、动量微分方程、能量微分方程。首先由动量方程和连续性方程求得速度场，进而获得边界层厚度及局部摩擦系数；然后由能量微分方程求解表面传热系数。

13．在（　　）条件下，热边界层厚度与流动边界层厚度是相等的。

A．

B．

C．

D．不确定

【答案】C

【解析】根据普朗特数的定义，当即时，动量守恒方程与边界层能量微分方程具有相同的边界条件，故二者有相同的无量纲形式的解，故热边界层厚度与流动边界层厚度是相等的。

14．流体以层流掠过平板时，在长度内的平均表面传热系数与处局部换热系数之比：为（　　）。

A．1：3

B．1：2

C．2：1

D．3：1

【答案】C

【解析】根据局部表面传热系数，而平均表面传热系数可得

。

15．水沿常壁温的平壁层流流动换热时，热边界层厚度与速度边界层厚度之间的关系为（　　）。

A．

B．

C．

D．

【答案】B

【解析】水的数通常大于1，根据即可得热边界层厚度小于速度边界层厚度。

16．自然对流换热的准则关联式可写为（　　）。

A．　

B．

C． 

D．

【答案】D

【解析】自然对流换热准则关联式通常整理为下列形式：，，式中C、n为实验常数，故努赛尔数是普朗特数和格拉晓夫数的函数。

17．判断同类现象是否相似的充分必要条件为（　　）。

A．单值性条件相似，已定的同名准则相等

B．物理条件和几何条件相似，已定的同名准则相等‘

C．物理条件和边界条件相似，已定的同名准则相等

D．几何条件和边界条件相似，已定的同名准则相等

【答案】A

【解析】判断现象是否相似的条件：①同名的已定特征数相等；②单值性条件相似。已定特征数是由所研究问题的已知量组成的特征数，而单值性条件是使得所研究的问题能被唯一地确定下来的条件，包括几何条件、物理条件、边界条件和初始条件。

2.6　单相流体对流换热及准则关联式

单项选择题（每题的备选项中，只有1个最符合题意）

1．在垂直封闭夹层内进行时，正确的表述是（　　）。[2013年真题]

A．当壁面间距与高度比值处于某范围时，冷热壁面自然对流可以形成环流

B．夹层间距较大时，两侧壁面的边界层总是会相互干扰或结合

C．当夹层的温差和间距较大，且Gr_δ＞2000时，可以按纯导热过程计算

D．在夹层问距和高度的比值较大时，可以按无限大壁面自然对流换热计算

【答案】D

【解析】在夹层间距和高度的比值较小时，冷热壁面自然对流边界层能相互结合，出现行程较短的环流；在夹层间距和高度的比值较大时，两侧壁面的边界层不会相互干扰，可以按无限大壁面自然对流换热计算；当Gr_δ≤2000时，可以认为夹层内没有流动发生，可以按纯导热过程计算。

2．在充分发展的管内单相流体受迫层流流动中，如果取同样管径及物性参数，则常壁温和常热流下，换热系数关系为（　　）。[2010年真题]

A．　 

B．　

C．　

D．不确定

【答案】C

【解析】在充分发展的管内单相流体受迫层流流动中，定热流条件下，常壁温条件下；且，因而。

3．常物性流体在管内受迫定型流动过程中，速度分布保持不变，流体温度及传热具有下列何种特性？（　　）[2011年真题]

A．温度分布达到定型   

B．表面对流换热系数趋于定值

C．温度梯度达到定值　

D．换热量达到最大

【答案】B

【解析】管内受迫定型流动过程，即流动充分发展段，其特征是速度分布保持不变。如果有换热时，将达到热充分发展段，其特征是常物性流体，无量纲温度（t_w－t）/（t_w－t_f）及其表面传热系数趋于定值。如图2－6－1所示，不管是层流还是湍流，管内流动入口段的对流换热系数均大于充分发展段的对流换热系数。

4．根据单相流体管内受迫流动换热特性，下列入口段的表面传热系数与充分发展段的表面传热系数的关系中，正确的是（　　）。[2012年真题]

A．

B．

C．

D．不确定

【答案】C

【解析】流体流入管道时，热量也是不均匀的，像流动一样，会出现热边界层；随着管道加长，热量分布趋于稳定，进入充分发展段。如图2－6－2（a）、（b）所示，不论层流或湍流，入口段的平均表面传热系数大于充分发展段的平均表面传热系数。

5．由于二次流的影响，在相同的边界条件下，弯管内的受迫对流传热系数与直管时的对流传热系数有所不同。因此在用直管的对流传热准则关系式计算弯管情况下对流传热系数时，都要在计算的结果上乘以一个修正系数，这个系数（　　）。[2008年真题]

A．始终大于1

B．始终小于1

C．对于气体大于1，对于液体小于1

D．对于液体大于1，对于气体小于1

【答案】A

【解析】在弯曲的通道中流动产生的离心力，将在弯管中的二次流现象，增加了流体在弯管中的紊乱度，无论是液体还是气体都会增大对流换热系数，故这个修正系数始终大于1。

6．在流体外掠圆管的受迫对流传热时，如果边界层始终是层流的，则圆管表面上自前驻点开始到边界层脱体点之间，对流传热系数可能（　　）。[2005年真题]

A．不断减小　

B．不断增加

C．先增加后减少　

D．先减少后增加

【答案】A

【解析】外掠单管流体横向流过单根圆管时，层流边界层开始生成，圆管表面上自前驻点开始到边界层脱体点之间，其流动边界层逐渐增厚，热阻随之增大，对流传热系数则不断减小。

7．无限大空间竖壁自然对流换热，当壁面温度为定值或壁面热流密度为常数，板足够长时，正确的说法是（　　）。[2010年真题]

A．随着边界层的扩展进入紊流状态后，局部表面传热系数逐渐增大

B．随着边界层的扩展，从层流发展到旺盛紊流，局部表面传热系数达到定值

C．随着边界层的扩展，局部表面传热系数逐渐减小

D．随着边界层的扩展，平均局部表面传热系数逐渐减小

【答案】B

【解析】无限大空间竖壁自然对流换热，当壁面温度为定值或壁面热流密度为常数，随着边界层的扩展，从层流发展到旺盛紊流，局部表面传热系数将保持不变。

8．如果采用稳态平板法测量图中冷热面夹层中的流体的导热系数，为了减小测量误差应该用图2－6－3哪种布置方式？（　　）[2006年真题]

图2－6－3

A．第一种　

B．第二种　

C．第三种　

D．第四种

【答案】A

【解析】本题中第一种情况不形成自然对流，可以按纯导热问题对待，测量误差最小。后三种冷热面夹层中的液体容易形成自然对流，不能按纯导热问题对待，是导热和对流两种换热方式。此外，第三种和第四种冷热流体间会形成环流，单纯测量液体的导热系数误差比较大。

9．如图2－6－4所示，由冷、热两个表面构成的夹层中是流体且无内热源。如果端面绝热，则达到稳态时，传热量最少的放置方式是（　　）。[2007年真题]

图2－6－4

A．第一种　

B．第二种　

C．第三种　

D．第四种

【答案】A

【解析】本题中第一种方式冷面在下，热面在上，不能构成自然对流，是纯导热；第二种情况下会形成自然对流，是导热和对流两种换热方式混合作用；第三四中情况冷热流体间会形成冷热环流，均比第一种纯导热换热能力强，所以，第一种情况的传热量最少。

10．流体与壁面间的受迫对流传热系数与壁面的粗糙度密切相关，粗糙度的增加（　　）。[2007年真题]

A．使对流传热系数减少　

B．使对流传热系数增加

C．使雷诺数减小

D．不会改变管内的温度分布

【答案】B

【解析】粗糙度的增加虽然提高了流体的流动阻力，但是，粗糙度扩大了换热面积，流体流过粗糙壁面能产生涡流，使得边界层变薄，热阻减小，换热增强。所以，粗糙度增加使得对流传热系数增加，雷诺数增大，管内的温度分布也发生了变化。

11．在单相流体管内受迫流动充分发展段中，边界条件对换热有较大影响。下列说法中不正确的是（　　）。[2013年真题]

A．常壁温下，流体温度沿管长按对数规律变化

B．常热流下，沿管长流体与壁面温度差保持为常数

C．常热流下，壁面温度沿管长非线性变化

D．常热流下，沿管长流体温度线性变化

【答案】C

【解析】根据管内换热流体温度变化曲线，如图2－6－5所示。图a）为常热流，其沿管长流体与壁面温度差保持为常数，沿管长流体温度线性变化；图b）为常壁温，其流体温度沿管长按对数规律变化。

图2－6－5  管内换热温度变化

12．管内流动流体某断面平均温度按（　　）计算。

A．对数平均温度

B．算数平均温度

C．焓值

D．质量

【答案】C

【解析】管内流动流体某断面平均温度按与焓关系：，故管内流动流体某断面平均温度按焓值计算。

13．同一流体以同一流速分别进行下列情况对流换热，平均表面传热系数最大的是（　　）。

A．横掠单管

B．在管内流动

C．纵掠平板

D．纵掠单管

【答案】A

【解析】由于长管和平板一般较长，边界层较厚，对流换热系数小，在横掠单管时，流体流程较短，边界层较薄，而且在后部会出现边界层的脱离，使表面传热系数较大。

14．流体外掠光滑管束换热时，第一排管子的平均换热系数与后排管子平均换热系数相比，第一排管子的平均换热系数（　　）。

A．最小

B．最大

C．与其他各排相同

D．不确定

【答案】A

【解析】流体外掠光滑管束换热时，由于后排管子受到前排管子对流体的扰动影响，后排管子的平均换热系数增大。

15．蒸汽沿由上向下方向外掠水平光滑管束凝结换热时，第一排管子的平均凝结表面传热系数（　　）。

A．最小

B．最大

C．与其他各排相等

D．不确定

【答案】B

【解析】蒸汽由上向下外掠光滑管束凝结换热时，由于凝液向下流动，除第一排管子以外的后排管子都会受到上排管子凝液的影响，使管子上的凝结液膜增厚，平均表面传热系数减小。

16．20℃的水以1.24m／s的速度外掠长250mm的平板，壁温为60℃。在处的速度边界层厚度和温度边界层厚度分别为（　  ）。[定性温度取边界层的平均温度 ，查得此温度下水的物性参数为：，，]

A．1.81～1.83mm，1.11～1.13mm

B．1.84～1.86mm，1.14～1.16mm

C．1.11～1.13mm，1.81～1.83mm

D．1.14～1.16mm，1.84～1.86mm

【答案】C

【解析】先求雷诺数，，

则速度边界层为：，

温度边界层为：。

17．采取下列（　　）措施可提高管内受迫流动换热系数。

A．增加流速，减小管径　

B．增加流速，增大管径

C．降低流速，减小管径　

D．降低流速，增大管径

【答案】A

【解析】根据管内强制对流换热时，其关联式为，加热流体时，；冷却流体时。将，，代入上式中可得。由此可知增加流速和减小管径可提高管内受迫流动换热系数。

18．常物性流体管内受迫流动，沿管长流体的平均温度，在常热流边界条件下呈（　  ）变化，在常壁温边界条件下呈（　　）规律变化。

A．对数曲线，对数曲线

B．对数曲线，线性

C．线性，线性

D．线性，对数曲线

【答案】D

【解析】常热流边界条件下，当热流密度为常数时，，说明流体的平均温度在常热流边界条件下呈线性变化。常壁温条件下, 则说明流体的平均温度在常壁温热流边界条件下呈对数曲线变化。

19．水以相同的速度、相同的温度及相同边界条件下沿不同管径的管内作受迫紊流换热，两个管子的直径分别是和，其中，管长与管径比大于10，当管壁温度大于流体温度，则对应的表面传热系数分别为和，则和的关系是（　  ）。

A．

B．

C．

D．

【答案】D

【解析】受迫紊流换热，管长与管径比大于10，当管壁温度大于流体温度时，流体被加热，故应用的准则关联式是，并由关联式，。

20．受迫对流中一般都存在自然对流的影响，可以忽略自然对流影响的受迫对流应满足（　　）。

A．

B．

C．

D．

【答案】A

【解析】判断是不是纯受迫流动，或混合流动，可根据浮升力与惯性力的相对大小来确定。一般情况下，当

，认为是纯受迫对流；当时，认为是混合流动；当时，可作为纯自然对流。

21．无限空间自然对流，在常壁温或常热流边界条件下，当流态达到旺盛紊流时，沿程表面传热系数将（　  ）。

A．增大

B．不变

C．减小

D．开始减小，而后增大

【答案】B

【解析】研究表明，在常热流或常壁温边界条件下，当流态达到旺盛紊流时，沿程表面传热系数将保持不变。

22．管内受迫对流换热，当管内流速增加一倍时，表面传热系数增加比例最大的是（　　）。

A．层流

B．过渡流

C．紊流光滑区

D．紊流粗糙区

【答案】D

【解析】对于粗糙管，管内流动换热类比律表达式为，即。对于光滑管，若为紊流换热，则采用；若为层流换热，则采用的关联式为

；若为过渡流换热，则应按照以下关联式来计算：

。由以上几个关联式中数的指数可知，管内流速增加表面传热系数增加比例最大的是紊流粗糙区。

2.7　凝结与沸腾换热

单项选择题（每题的备选项中，只有1个最符合题意）

1．小管径水平管束外表面蒸汽凝结过程中，上下层管束之间的凝结表面传热系数h的关系为（　　）。[2014年真题]

A．h_下排>h_上排

B．h_下排<h_上排

C．h_下排=h_上排

D．不确定

【答案】B

【解析】水平管束管外凝结换热应用上常有多根管组成的水平管管束，上一层管子的凝液流到下一层管子上，使得下一层管面的膜层增厚，传热效果降低，所以下一层的传热系数h比上一层的小。

2．表面进行膜状凝结换热的过程中，影响凝结换热作用最小的因素为 （　　）。[2011年真题]

A．蒸汽的压力

B．蒸汽的流速

C．蒸汽的过热度　

D．蒸汽中的不凝性气体

【答案】A

【解析】影响膜状凝结换热的因素有：①蒸气速度蒸气流速的大小及其和液膜的流向是否一致。②蒸气中如含有微量不凝性气体，对换热作用影响很大，但蒸气流速增加会使这种影响减弱。③表面粗糙度Re_C数较低时，因粗糙使液膜增厚，传热性能降低；Re_C数较高时，则相反。④蒸气含油，如含润滑油，因形成油垢使传热性能降低。⑤过热蒸气计算时，可将式中的潜热值取为过热蒸气与饱和液的焓差，计算公式不做修改。而蒸汽压力对凝结换热作用影响最小。

3．为了强化水蒸气在竖直壁面上的凝结传热，应采用以下列哪个措施？ （　　）[2009年真题]

A．在蒸汽中掺入少量的油　

B．在蒸汽中注入少量氮气

C．设法增加液膜的厚度

D．设法形成珠状凝结

【答案】D

【解析】由于在其他条件相同时，珠状凝结的表面传热系数大于膜状凝结的传热系数，故珠状凝结强化了蒸汽在竖直壁面上的凝结传热。ABC三项，油和氮气的导热系数比水的小，三者都是削弱了蒸汽在竖直壁面上的凝结传热。

4．根据努塞尔对凝结传热时的分析解，局部对流传热系数（　  ）。[2008年真题]

A．　

B．　

C．　

D．

【答案】B

【解析】层流膜状凝结换热在一系列假设下，对竖壁层流凝液膜(Re^c＜1800)运用动量及能量微分方程式进行理论求解，可得垂直壁层流膜状凝结平均表面传热系数的努谢尔特理论计算式为：

。由于实际的液膜有波动等因素，使换热增强，应将上述理论解中的系数增加20％，即修改为1.13。由此可知。

5．饱和蒸汽分别在形状、尺寸、温度都相同的A、B两个等温垂直壁面上凝结，其中A上面是珠状凝结，B板上是膜状凝结。若两个壁面上的凝结传热量分别为和，则（　　）。[2007年真题]

A．　

B．　

C．　

D．

【答案】B

【解析】由于珠状凝结的表面传热系数高于膜状凝结的传热系数；当A面和B面的换热面积相同且换热温差相同时，可得。

6．以下关于饱和蒸汽在竖直壁面上膜状凝结传热的描述中，正确的是（　　）。[2005年真题]

A．局部凝结传热系数沿壁面方向（从上到下）数值逐渐增加

B．蒸汽中的不凝结气体会导致换热强度下降

C．当液膜中的流动是湍流时，局部对流传热系数保持不变

D．流体的黏度越高，对流传热系数越大

【答案】B

【解析】层流流动时，沿壁面方向（从上到下），由于重力的作用使冷壁上液膜厚度增加，热阻随之增大，局部凝结传热系数h_z减小；湍流流动时，液膜厚度随流速的增加而减薄，局部凝结传热系数h_z增大；当蒸汽中混入导热系数较小的不凝结气体时或粘度较高的液体时，会使凝结换热热阻增大，导致换热强度下降；流体粘度越大，流传热系数越小，换热能力越差。

7．在沸腾换热过程中，产生的气泡不断脱离表面，形成强烈的对流换热，其中，产生的气泡能够存在并能继续长大的条件（　　）。[2012年真题]

A．只要满足　 

B．只要满足

C．只要满足壁面温度>>流体饱和温度　

D．壁面处有汽化核心

【答案】B

【解析】壁面凹处最先能满足气泡生成的条件：，若气泡半径时，表面张力>内外压差，则气泡内蒸汽凝结，气泡不能形成；若气泡半径时，气泡才能成长，即能继续长大的条件是

，即。

8．沿竖壁膜状凝结换热时，凝结的表面传热系数从壁上部至壁下部将会（　  ）。

A．减小

B．增大

C．先减小后增大

D．先增大后减小

【答案】C

【解析】沿竖壁膜状凝结换热时，凝液膜从上至下逐渐增厚，表面传热系数逐渐减小；但在液膜流动的数达到1600以后，液膜由层流变为紊流，表面传热系数又开始增大。

9．设流体温度、压力等相同，试比较以下几种状况的膜状凝结换热，最好的应是（　　）。

A．竖壁表面

B．竖管表面

C．水平管束表面

D．水平单管外表面

【答案】D

【解析】蒸气进行膜状凝结时，热阻取决于通过液膜层的导热，因此尽量减薄液膜层是强化膜状凝结的基本手段。相同条件下，水平管外表面的凝液膜比竖壁和竖管薄。对于管束传热，由于凝结液的飞溅扰动会影响换热效果。故水平单管外表面换热效果最好。

10．影响管外膜状凝结换热最主要的因素是（　  ）。

A．蒸气速度

B．不凝性气体含量

C．表面粗糙度

D．蒸气含油

【答案】B

【解析】影响管外膜状凝结换热的主要因素有：①蒸汽流速；②蒸汽中含不凝结气体；③表面粗糙度；④蒸汽中含油；⑤过热蒸汽等。其中，蒸气中微量的不凝性气体存在就会使表面传热系数显著下降，故不凝性气体含量对管外膜状凝结换热影响最大。

11．表面进行薄膜状凝结换热的过程中，影响凝结换热作用最小的因素为（　　）。

A．蒸汽的压力

B．蒸汽的流速

C．蒸汽的过热度

D．蒸汽中的不凝性气体

【答案】A

【解析】影响膜状凝结的主要因素有蒸汽流速、不凝性气体、传热表面的结构、蒸汽的过热度、冷凝液过冷度，而蒸汽的压力对凝结换热影响较小。

12．当沸腾温差较小时，对于水小于4℃时，沸腾换热过程的特性属于（　　）。

A．自然对流换热　

B．稳定膜态沸腾　

C．核态沸腾　

D．过渡沸腾

【答案】A

【解析】沸腾换热过程分为四个阶段。当壁面过热度时，属于自然对流换热；壁面过热度后，进入核态沸腾期；当壁面过热度增大到某一程度时（Δt～20℃），沸腾处于由核态沸腾向膜态沸腾转变的过渡区。当过热度继续增加（△t≈120～150℃），加热面上将产生稳定的汽膜，进入稳定膜态沸腾。

13．随着沸腾换热表面过热度()增加，气化核心逐渐增多，后增加的气化核心的大小比先形成的核心大小的（　　）。

A．大

B．小

C．相等

D．不确定

【答案】B

【解析】气化核的形成条件，过热度()升高，从而使气化核心的最小半径减小。

14．水受迫对流换热、水自然对流换热、水沸腾换热、空气受迫对流换热、空气自然对流换热的表面传热系数分别为，，，，，它们的大小顺序是（　  ）。

A．

B．

C．

D．

【答案】C

【解析】空气自然对流：3～110w／(m²·K)；空气受迫对流：20～100W／(m²·K)；水自然对流：200～1000W／(m²·K)；水受迫对流：1000～15000W／(m²·K)；水沸腾换热：2500～2500000W／(m²·K)。

15．两垂直板，A宽为，高为，B宽为，高为，饱和蒸汽流过两块板，均为层流，流过两板的换热量关系为（　　）。

A．

B．

C．

D．不能确定

【答案】B

【解析】由层流竖壁的表面传热系数计算公式可知，竖壁高越大，传热系数越小,故。又根据，而t相等，可得。

2.8　热辐射的基本定律

单项选择题（每题的备选项中，只有1个最符合题意）

1．在秋末冬初季节，晴朗天气晚上草木表面常常会结霜，其原因可能是（　　）。[2014年真题]

A．夜间水蒸气分压下降达到结霜温度

B．草木表面因夜间降温及对流换热形成结霜

C．表面导热引起草木表面的凝结水结成冰霜

D．草木表面凝结水与天空辐射换热达到冰点

【答案】D

【解析】大气层外宇宙空间的温度接近绝对零度，是个理想冷源，在8～13μ的波段内，大气中所含二氧化碳和水蒸气的吸收比很小，穿透比较大，地面物体通过这个窗口向宇宙空间辐射散热，达到一定冷却效果。这种情况是由于晴朗天气下，草木表面与太空直接辐射换热使得草木表面的温度达到了冰点。

2．物体与外界进行辐射换热计算时，环境温度一般是指（　　）。[2013年真题]

A．空间辐射和四周物体辐射相当的温度

B．周围空气与建筑物和场地温度平均值

C．周围建筑物和场地的温度

D．周围空气的平均温度

【答案】B

【解析】辐射换热是物体以电磁波的形式向外界传递能量的过程，环境温度一般为建筑外围物体、土建、植被以及空气的温度与场地温度的平均值；在某些情况下，环境温度和空气温度近似相等。

3．辐射换热过程中能量属性及转换与导热和对流换热过程不同，下列错误的是（　　）。[2010年真题]

A．温度大于绝对零度0K的物体都会有热辐射

B．不依赖物体表面接触进行能量传递

C．辐射换热过程伴随能量两次转换

D．物体热辐射过程热交换量与温度无关

【答案】D

【解析】A项，大于0K的物体都有辐射换热；B项，辐射换热以电磁波的形式传递，不依赖于介质以及表面的接触；C项，换热过程伴随着能量形式的两次转化，即发射物体的内能转化为电磁能，吸收物体又将电磁能转化为内能；D项，物体热辐射过程与热力学温度的四次方成正比，满足斯忒藩—玻尔兹曼定律，。

4．根据斯蒂芬—玻尔兹曼定律，面积为2m²、温度为300℃的黑体表面的辐射力为（　  ）W／m²。[2007年真题]

A．11632　

B．6112　

C．459　

D．918

【答案】B

【解析】根据斯蒂芬—波尔兹曼定律，黑体表面的辐射力为：，代入已知数据可得：

。

5．实际物体的辐射力可以表示为（　　）。[2008年真题]

A． 

B． 

C．　

D．

【答案】C

【解析】实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比，称为该物体的发射率(又称黑度)，即。所以实际物体的辐射力等于该物体的发射率乘上同温度黑体的辐射力，即。

6．以下关于实际物体发射和吸收特性的论述中，正确的是（　　）。[2005年真题]

A．实际物体的发射率等于实际物体的吸收率

B．实际物体的定向辐射强度符合兰贝特余弦定律

C．实际物体的吸收率与其所接受的辐射源有关

D．黑色的物体比白色的物体吸收率要高

【答案】C

【解析】A项，漫射灰表面的发射率等于它的的吸收率，实际物体的发射率等于其吸收率只有在物体处于热平衡时才成立；B项，兰贝特余弦定律则揭示能量按空间方向分布的规律，该定律可表述为漫辐射表面的辐射强度与方向无关，即除了黑体以外，只有漫射表面才符合兰贝特余弦定律，实际物体并不符合兰贝特定律；C项，实际物体的吸收率与其所接收的辐射源有关；D项，黑色的物体在可见光波段内比白色的物体吸收率要高，对红外线吸收率基本相同。

7．根据普朗克定律，黑体的单色辐射力与波长之间的关系是一个单峰函数，其峰值所对应的波长（　　）。[2006年真题]

A．与温度无关

B．随温度升高而线性减小

C．随温度升高而增大　

D．与绝对温度成反比

【答案】D

【解析】对普朗克定律中的黑体光谱辐射力对应的波长求极限值，可得到维恩位移定律，即

，可知最大光谱辐射力峰值所对应的波长与绝对温度成反比，与温度的关系是非线性的。

8．关于实际物体的吸收率与发射率之间关系的论述中，错误的是 （　　）。[2009年真题]

A．热平衡条件下实际物体的吸收率等于其所处温度下的发射率

B．物体的单色吸收率等于物体所处同温度下的单色发射率

C．实际物体的吸收率等于它的发射率

D．实际物体在各个方向上的发射率有所不同

【答案】C

【解析】由基尔霍夫定律的表述：在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。可得，实际物体的发射率等于其吸收率只有在“物体与黑体投入辐射处于热平衡”这个前提条件下才成立。一般情况下实际物体在各个方向上的发射率有所不同。

9．关于实际物体的单色吸收率和单色发射率的论述中，错误的是（　　）。[2008年真题]

A．热平衡条件下实际物体的单色吸收率等于其所处温度下的单色发射率

B．单色吸收率等于物体所处温度下的单色发射率

C．实际物体的单色吸收率与波长有关

D．实际物体在各个方向上的发射率完全相同

【答案】D

【解析】物体发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件；热平衡时，任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率；实际物体辐射按空间分布不符合兰贝特定律，即在各个方向上的发射率有所不同。

10．固体表面进行辐射换热时，表面吸收率、透射率和反射率之间的关系为。在理想和特殊条件下表面分别称为黑体、透明体和白体，下列描述中错误的是（　　）。[2011年真题]

A．投射到表面的辐射量全部反射时，，称为白体

B．投射到表面的辐射量全部可以穿透时，，称为透明体

C．红外线辐射和可见光辐射全部被吸收，表面呈现黑色，，称为黑体

D．投射辐射中，波长在0.1～100μm的辐射能量被全部吸收时，，称为黑体

【答案】D

【解析】黑体是能将热辐射能量完全吸收的物体，α=1，包括红外波段、紫外波段和可见光波段（0.11μm≤<0.381μm为紫外线，0.381μm≤≤0.761μm为可见光，0.761μm<≤100μm为红外线），白体的反射率为ρ=1，透明体的透射率为τ=1。

11．夏季在维持20℃的室内工作时一般穿单衣感到舒适，而冬季在保持20℃的室内工作时却必须穿绒衣才觉得舒适，这主要是因为（　　）。

A．冬季和夏季人的冷热感觉不一样

B．在室内冬季人周围物体(墙体)的温度低于夏季人周围物体(墙体)的温度

C．冬季房间的湿度小于夏季房间的湿度

D．冬季房间的风速大于夏季房间的风速

【答案】B

【解析】人体在室内不仅与空气进行对流换热，还以周围墙体进行辐射换热。冬季墙体温度较低而夏天墙体温度较高，墙体与人体的辐射换热量不同。

12．黑体表面温度由30℃增加到333℃，该表面辐射力增加为原来的（　  ）倍。

A．15

B．20

C．16

D．11

【答案】C

【解析】根据斯蒂芬－波尔兹曼定律得黑体表面辐射力，故

，即该表面辐射力增加为原来的16倍。

13．内壁黑度为，温度为，直径为的空腔黑体，球壁上有一直径为()的小孔，该空腔通过小孔向外辐射的能量为（　  ）。

A．

B．

C．

D．

【答案】D

【解析】小孔具有黑体的性质，根据斯蒂芬一波尔兹曼定律得黑体表面辐射力，从而小孔向外辐射的能量为。

14．若粗糙红砖、空气、表面氧化的铜管、磨光的铝的表面发射率分别为，，，，则有（　  ）。

A．

B．

C．

D．

【答案】C

【解析】高度磨光表面的发射率很小，而粗糙表面和氧化表面常常为磨光表面的数倍，粗糙红砖、空气、表面氧化的铜管、磨光的铝的表面发射率分别为0.9、0、0.65和0.05。

15．北方深秋季节的清晨，树叶的上、下表面有可能出现的情况是（　  ）。

A．两表面均结霜

B．两表面均不结霜

C．仅上表面结霜

D．仅下表面结霜

【答案】C

【解析】晴朗夜晚，叶子上表面与太空间进行辐射热交换，由于太空温度很低，认为是绝对零度，因此，叶子上表面温度会下降到零度以下，当空气中湿度较大，水汽会在叶子表面结露，进而结霜。叶子下表面与土地进行辐射热交换，由于土地温度较高，因此叶子下表面不会结霜。

16．设外来投射在某物体表面上的辐射能为5000W/m²。该物体不能使射线透过，它的反射力为500W/m²，则其吸收的辐射能、吸收比及反射比应为（　　）。

A．，，

B．，，

C．，，

D．，，

【答案】D

【解析】根据，及可求得，，。

17．在具有反射、吸收和透过能力的物体上投射辐射力为3000W／m²。物体反射的能量为500W／m²，物体吸收的能量为800W／m²，则物体透过的能量为（　　）。

A．1300W／m²　

B．2500W／m²　

C．1700W／m²　

D．2200W／m²

【答案】C

【解析】根据能量守恒定律可得：物体透过的能量＝投射到物体体上的能量－物体反射的能量－物体吸收的能量，故。

18．根据普朗克定律，黑体的单色辐射力与温度和波长有关系，则下面说法正确的是（　　）。

A．波长不变，温度增加，线性增加

B．波长增加，温度不变，指数增加

C．任何温度下，都存在峰值波长，并且温度与峰值波长的乘积为常数

D．任何温度下，都存在峰值波长，并且峰值波长与温度是线性变化

【答案】C

【解析】由普朗克定律可知：波长不变，温度增加，并非呈线性增加；而温度不变，与波长成反比例，波长增加，应减小；又由维恩定律得。

2.9　辐射换热计算

单项选择题（每题的备选项中，只有1个最符合题意）

1．冬季里在中央空调供暖的空房间内将一支温度计裸露在空气中，那么温度计的读数（　　）。[2005年真题]

A．高于空气温度

B．低于空气的温度

C．等于空气的温度　

D．不确定

【答案】B

【解析】温度计不仅与室内空气对流换热，还要与比室温低的内墙壁、外窗之间辐射换热。温度计损失的热量大于温度计获得的热量，使得温度计的读数低于空气的温度。

2．表面温度为50℃的管道穿过室内，为了减少管道向室内的散热，最有效的措施是（  ）。[2005年真题]

A．表面喷黑色的油漆　

B．表面喷白色的油漆

C．表面缠绕铝箔　

D．表面外安装铝箔套筒

【答案】D

【解析】管道表面温度比室内温度高，为了减少管道向室内的散热，必须对管道进行保温。根据遮热板原理，增大管道表面的热阻，可在管道表面外安装铝箔套筒，能有效减少管道向室内的辐射换热。

3．计算灰体表面间的辐射传热时，通常需要计算某个表面的净热量损失，若已知黑体辐射力为，有效辐射为，投入辐射为，正确的计算式是（　　）。[2007年真题]

A． 

B．　

C．　

D．

【答案】C

【解析】如图2－9－1所示，单位时间内离开单位面积的总辐射能为该表面的有效辐射，它包括了自身的发射辐射和反射辐射，灰体表面的辐射换热关系式为。

图2－9－1  有效辐射

4．如图2－9－2中的正方形截面的长通道，表面1对表面2的角系数为（　　）。[2006年真题]

A．1／3

B．0.3

C．0.707　 

D．0.414

图2－9－2

【答案】D

【解析】正方形截面的长通道可以看成是断面为正方形的无限长柱体，上下面间的角系数可以直接用两个无限长相对表面的角系数公式：，做辅助线如图2－9－3所示，取正方形边长为1，代入上式得。

图2－9－3

5．如图2－9－4所示，1为边长为的正三角形，2为半径为的圆形，求2的自辐射角系数为（　　）。[2010年真题]

A．1.0

B．0.52　 

C．0.48　

D．0.05

图2－9－4

【答案】B

【解析】根据，，可得，又由，得。

6．角系数表示一表面辐射的辐射能中直接落到另外一个表面上的百分数，下列不适用的是（　　）。[2011年真题]

A．漫灰表面

B．黑体表面

C．辐射时各向均匀表面　

D．定向辐射和定向反射表面

【答案】D

【解析】角系数表示表面向半球空间辐射的辐射能中直接落到另外一个表面上的百分数，因此，对定向辐射和定向反射表面不适用。

7．两个平行的无限大灰体表面1和表面2，温度分别为和，发射率均为0.8。若在中间平行插入一块极薄的、发射率为0.4的金属板，则表面1和表面2之间换热量变为原来的（　　）。[2009年真题]

A．50％　

B．27％　

C．18％　

D．9％

【答案】B

【解析】加入隔热板之前，；加入隔热板之后，

，则有。

8．温度分别为500K和300K的灰体平板，中间插入一块灰体遮热板，设板的发射率均为0.85，则最终遮热板的温度为（　  ）。[2013年真题]

A．467K

B．433K

C．400K

D．350K

【答案】B

【解析】如果在灰体间加设发射率相同的n块遮热板，则辐射换热量将减少到原来的1／(n＋1)。此题在两块平板中间插入一块发射率相同的遮热板，表面的辐射换热量将减少到原来的。所以可列式为：

，式中，T为遮热板温度。

代入已知数据：，解得：T＝433K。

9．关于气体辐射的论述中，错误的是（　　）。[2008年真题]

A．气体的辐射和吸收过程是在整个容积中完成的

B．二氧化碳吸收辐射能量时，对波长有选择性

C．气体的发射率与压力有关

D．气体可以看成是灰体，因此其吸收率等于发射率

【答案】D

【解析】AB两项，气体辐射的特点气体辐射和固体辐射相比，具有以下特点：①气体的辐射和吸收具有明显的选择性，它只在某些波长区内(称为光带)具有辐射和吸收能力，故对光带以外的波段，可认为它是透明体；②气体的辐射和吸收在整个容积中进行。所以，气体辐射与气体的形状和容积有关，在论及此类问题时，除其他条件外，尚须说明气体的形状和容积大小。CD两项，气体的单色发射率和单色吸收比为：，式中，p为气体分压力，Pa；K_λ为l0⁵Pa气压下单色减弱系数，1／m·Pa，它与气体性质及其温度有关。但气体不能看成是灰体。

10．大气层能够阻止地面绝大部分热辐射进入外空间，由此产生温室效应，其主要原因是（　　）。[2014年真题]

A．大气中的二氧化碳等多原子气体

B．大气中的氮气

C．大气中的氧气

D．大气中的灰尘

【答案】A

【解析】大气层能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气中的温室气体吸收，这样就使地表与低温大气层的温度升高，地球就类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。大气中的温室气体有二氧化碳、氯氟烃、甲烷等，其中以二氧化碳为主。

11．因二氧化碳等气体造成的温室效应会使地球表面温度的升高而引起自然灾害。二氧化碳等气体产生温室效应的原因是（　　）。[2009年真题]

A．吸收光谱是不连续的

B．发射光谱是不连续的

C．对红外辐射的透射率低　

D．对红外辐射的透射率高

【答案】C

【解析】地球周围的大气层对地面有保温作用，大气层能让大部分太阳辐射透过到地面，而地面辐射中95％以上的能量分布在红外波段，它们被大气层中二氧化碳等气体吸收。对于气体，可认为气体对热射线几乎没有反射能力，即=0，则有α＋τ=1，吸收率大，则透射率低，减少了地面对太空的辐射，即不同波段辐射能量的透射特性导致大气层的温室效应。所以，二氧化碳等气体产生温室效应的原因是对红外辐射的透射率低。

12．气体辐射换热过程中，一般常忽略不计的因素是（　　）。[2012年真题]

A．辐射换热波段　

B．气体成分

C．容积几何特征　

D．气体分子的散射和衍射

【答案】D

【解析】气体辐射对波长具有强烈的选择性，只在某些光带内具有辐射和吸收特性；对于不同的气体，辐射换热能力也不同，只有多原子气体或不对称的双原子气体才具有辐射特性；气体的辐射在整个气体容器中进行，受容器壁反射和吸收的影响，此外气体辐射与气体内部特征有关，而气体分子的散射和衍射传递的能量，相对于辐射换热量可以忽略不计。

13．太阳能集热器或太阳灶的表面常做成黑颜色的主要原因是（　　）。[2012年真题]

A．黑色表面的辐射率较大，

B．太阳能中的最大辐射率处于可见光波长范围

C．黑色表面可以最大限度吸收红外线辐射能

D．黑色表面有利于辐射换热

【答案】B

【解析】黑色表面的辐射率小于1，只有黑体的辐射率等于1；黑色表面对可见光范围内的吸收比接近于1，而对于红外线范围吸收比接近于0。太阳能集热器或太阳灶的表面常做成黑颜色主要是提高表面吸收率，太阳能中的最大辐射率处于可见光波长范围，波长范围一般介于3μm～100μm之间。

14．面积为的空腔2与面积为的内包小凸物1之间的角系数为（　  ）。

A．1

B．

C．

D．

【答案】B

【解析】根据角系数互换性，又由于，故。

15．等边三角形无限长柱孔，任意两相邻表面之间的角系数为（　　）。

A．1/3

B．1/4

C．1/8

D．1/2

【答案】D

【解析】三角形无限长柱孔，任意两相临表面之间的角系数的表达式形式相同，如相邻两表面1、2间的角系数为；当断面为等边三角形，则，故。

16．空间辐射热阻与（　　）无关。

A．表面粗糙度

B．表面尺寸

C．表面形状

D．表面间的相对位置

【答案】A

【解析】空间热阻表达式为，与表面积和角系数有关，而角系数取决于表面形状和表面间的相对位置。

17．两表面发射率均为的无限大平行平板，若在其间加入两个表面发射率也为的遮热板，则换热量减少为原来的（　　）。

A．1/5

B．1/4

C．1/3

D．1/2

【答案】C

【解析】当加入块与壁面发射率相同的遮热板时，换热量将减少到原来的，本题加入两块发射率相同的遮热板，则换热量减少到原来的。

18．两个发射率相同，温度分别为T₁和T₂的无限大平壁中间加入一块具有相同发射率的无限大平壁遮热板后，遮热板的温度和辐射换热量为（　　）。

A．　 

B．

C．　

D．

【答案】B

【解析】加入遮热板前，单位面积的辐射换热量为：；加入遮热板后，单位面积的辐射换热量变为：。故，且即。

19．两平行表面温度为100℃和50℃，两表面发射率相同均为0.9，当表面尺寸远大于平面距离时，则通过单位面积平面的辐射换热量为（　　）。

A．393W／m²　

B．339W／m²　

C．432W／m²　

D．423W／m²

【答案】A

【解析】两表面之间的辐射换热量公式为，由于表面尺寸远大于空气层厚度，可认为，再将代入可以得到

。

20．有一空气层，热表面温度为300℃，发射率为0.5，冷表面温度为100℃，发射率为0.8。当表面尺寸远大于空气层厚度时，求两表面之间的辐射换热量（　　）W/m²。

A．2228

B．22280

C．202

D．2020

【答案】A

【解析】两表面之间的辐射换热量公式为，由于表面尺寸远大于空气层厚度，可认为，再将代入可以得到

。

21．两块平行放置的平板，板间距远小于板的面积，两板的表面发射率均为0.8，温度分别为227℃和127℃。两板辐射换热的热流密度为（　  ）W／m²。

A．1395

B．90.5

C．80.5

D．1385

【答案】A

【解析】两板辐射换热的热流密度，由于两板平行放置且板间距远小于板的面积，则可认为，再将代入可得

。

22．某车间的辐射采暖板的尺寸为2.0m×1.0m，板面的发射率为0.96，温度为127℃，车间墙面温度为13℃。如果不计辐射板背面及侧面的辐射作用，辐射板面与车间墙面间的辐射换热量为（　　）W／m²。

A．28

B．280

C．206

D．2058

【答案】D

【解析】辐射板面与墙面间的辐射换热可以看作墙面内包辐射板面的辐射换热，且，代入数据可得辐射板面与车间墙面间的辐射换热量。

23．以下气体不是辐射气体的是（　　）。

A．氧气

B．甲烷

C．水蒸气

D．二氧化碳

【答案】A

【解析】一般分子结构对称的双原子气体以及单原子分子气体，无发射和吸收辐射能的能力，而三原子、多原子气体和结构不对称的双原子气体具有一定的辐射和吸收能力。因为氧气是分子结构对称的双原子气体，所以不是辐射气体。

2.10　传热与换热器

单项选择题（每题的备选项中，只有1个最符合题意）

1．某建筑外墙的面积为12m²，室内空气与内墙表面的对流传热系数为8W／（m²·K），外表面与室外环境的复合传热系数为23W／（m²·K），墙壁的厚度为0.48m，导热系数为0.75W／（m·K）。单位面积的传热热阻为（　　）（m²·K）／W。[2009年真题]

A．1.24　

B．0.81　

C．2.48　

D．0.162

【答案】A

【解析】根据单位面积的传热热阻定义可得： 。

2．一逆流套管式水—水换热器，冷水的进口温度为25℃，出口温度为55℃，热水进口温度为70℃，若热水的流量是冷水的2倍，且物性参数不随温度变化，与此换热器的对数平均温差最接近的数据为（　　）℃。[2006年真题]

A．15　

B．20　

C．25　

D．30

【答案】B

【解析】冷水进出口温差为℃；根据题意知：，其中

，则有，解得，故根据可得。

3．一套管式水—水换热器，冷水的进口温度为25℃，热水进口温度为70℃，热水出口温度为55℃。若冷水的流量远远大于热水的流量，则与该换热器的对数平均温差最接近的数据为（　　）℃。[2007年真题]

A．15　

B．25　

C．35　

D．45

【答案】C

【解析】冷热流体热平衡方程为：，其中，，由对数平均温差，可得：，取最接近的数据为35℃。

4．一逆流套管式水—水换热器，冷水的出口温度为55℃，热水进口温度为70℃。若热水的流量与冷水的流量相等，换热面积和总传热系数分别为2m²和150W／（m²·K），且物性参数不随温度变化，则与该换热器的传热量最接近的数据 （　　）W。[2008年真题]

A．3500　

B．4500　

C．5500　

D．6500

【答案】B

【解析】根据题意知：，

其中，，

则有，。

5．套管式换热器，顺流换热，两侧为水—水单相流体换热，侧水温进水65℃，出水45℃，流量为1.25kg／s，另一侧入口为15℃，流量为2.5kg／s，则换热器对数平均温差为（　　）℃。[2010年真题]

A．35　

B．33　

C．31　

D．25

【答案】B

【解析】根据题意知：，其中，则有，解得，故根据可得。

6．套管式换热器中进行换热时，如果两侧为水—水单相流体换热，侧水温由55℃降到35℃，流量为0.6kg／s，另一侧水入口温度为15％，流量为1.2kg／s。则换热器分别作顺流或逆流时的平均对流温差比

为（　　）。[2011年真题]

A．1.35　

B．1.25　

C．1.14　

D．1.0

【答案】C

【解析】由冷流体吸热量与热流体放热量相等可得：。代入数据可得冷流体出口温度为25℃。则顺流时Δt′=40℃，Δt〞=10℃；逆流时Δt′=30℃，Δt〞=20℃。对数平均温差：

所以逆流与顺流平均对数温差比为：Δt_m（逆流）／Δt_m（顺流）=1.14。

7．套管式换热器中进行饱和水蒸气凝结为饱和水，加热循环水过程。蒸汽的饱和温度115℃，流量1800kg／h，潜热2230kJ／kg；水入口温度45℃，出口温度65℃。设传热系数为125W／（m²·K），则该换热器所需的换热面积为（　　）m²。[2012年真题]

A．150　

B．125　

C．100　

D．75

【答案】A

【解析】根据得，将，

代入其中，解得。

8．暖气片对室内空气的加热是通过下列哪种方式实现的？（　　）[2011年真题]

A．导热　

B．辐射换热

C．对流换热　

D．复杂的复合换热过程

【答案】D

【解析】暖气片对室内空气的加热主要通过暖气片与周围空气的自然对流换热和暖气片与周围物体（包括房间的家具、墙壁等）辐射换热共同作用，是复合换热过程。

9．套管式换热器中顺流或逆流布置下ε—NTU关系不同，下述说法错误的是（　  ）。[2014年真题]

A．c_min／c_max>0，相同NTU下，ε_顺<ε_逆

B．c_min／c_max=0，NTU→∞，ε_顺→1，ε_逆→1

C．c_min／c_max=1，NTU→∞，ε_顺→0.5，ε_逆→1

D．c_min／c_max>0，NTU增大，ε_顺和ε_逆都趋于同一个定值

【答案】D

【解析】如图2－10－1所示，A、B、C选项的描述都是正确的。而根据C选项的结果可以判定D选项是错误的。

图2－10－1

10．为了强化电加热器表面与水的传热，以下不正确的措施是（　　）。[2009年真题]

A．提高水的流速　

B．提高加热器表面的发射率

C．提高表面的粗糙度　

D．使加热器表面产生振动

【答案】B

【解析】电加热器表面与水的传热主要是对流换热方式，采用提高表面传热系数和增加换热面积的方法来强化传热。提高水的流速、提高表面的粗糙度、使加热器表面产生震动都是提高表面传热系数的措施。

11．暖气片外壁与周围空气之间的换热过程为（　　）。

A．纯对流换热

B．纯辐射换热

C．传热过程

D．复合换热

【答案】D

【解析】暖气片对室内空气的加热主要通过暖气片与周围空气的自然对流换热和暖气片与周围物体（包括房间的家具、墙壁等）辐射换热共同作用，是复合换热过程。

12．冬季一车间的外墙内壁温度为，车间的内墙壁温度，车间内气体温度。已知内墙与外墙间的系统发射率为0.9，外墙内墙对流换热表面传热系数，外墙的热流密度为（　　）W／(m²·K)。

A．32.1

B．42.2

C．64.2

D．86.6

【答案】C

【解析】内外墙之间的辐射换热热流密度为：

，对流换热热流密度

，故外墙的热流密度。

13．锅炉炉墙由三层平壁组成，内层是耐火砖层，外层是红砖层，中间石棉保温层。由内到外三层的厚度和导热系数分别是：，，，，，

。炉墙内侧烟气温度，烟气侧表面传热系数；锅炉炉墙外空气温度，空气侧表面传热系数。该传热过程传热系数和通过炉墙的热损失为（　  ）。

A．0.82～0.83W／(m²·K)，400～410W／m²

B．0.84～0.85W／(m²·K)，420～430W／m²

C．1.10～1.12W／(m²·K)，580～590W／m²

D．1.20～1.22W／(m²·K)，590～600W／m²

【答案】A

【解析】依题意得平壁的传热系数，代入数据解得；通过炉墙的热损失为，代入数据解得：。

14．若换热器中，一侧流体为冷凝过程(相变)，另一侧为单相流体，下列说法正确的是（　　）。

A．逆流可获得比顺流大的换热温差

B．顺流可获得比逆流大的换热温差

C．逆流或顺流可获得相同的温差

D．垂直交叉流可获得最大换热温差

【答案】C

【解析】对于一侧是相变换热的换热器，无论是顺流还是逆流，所获得的对数平均温差相同。

15．高温流体的热量通过一固体壁面而传给另一侧的低温流体，这种情况下传热系数K和流体组合的关系正确的是（　　）。

A．

B．

C．

D．

【答案】D

【解析】对传热过程，两侧流体的对流换热阻直接影响传热系数的大小。由于空气的对流换热热阻比水的对流换热热阻大很多，因此，。

16．在换热器中，重油从300℃冷却到200℃，使石油从20℃加热到180℃。顺流布置和逆流布置时换热器的对数平均温差分别为（　　）。

A．98.5℃，148℃

B．148℃，98.5℃

C．148℃，122.5℃

D．122.5℃，148℃

【答案】A

【解析】对数平均温差的计算公式为 ，

则对于顺流：；

对于逆流：。

17．400℃的热气体流入一逆流式换热器中，气体的出口温度为200℃，气体将质量流量为20kg／s，定压比热为4.18kJ／(kg·K)的水从30℃加热到80℃。换热器的换热面积为300 m²，此换热器的传热系数为（　  ）W／(m²·K)。

A．12

B．46

C．59

D．106

【答案】C

【解析】换热器对数平均温差，水吸收的热量

，故此换热器的传热系数为：

。

18．当通过固体壁面传热时，采用加肋增强传热，说法正确的是（　　）。

A．在流体表面传热换热系数小的一侧加肋，传热效果好

B．在流体表面传热换热系数大的一侧加肋，传热效果好

C．在两侧都加肋，传热效果好

D．在两侧任何一侧加肋，传热效果一样好

【答案】A

【解析】传热过程，两侧流体的对流换热阻直接影响传热系数的大小；对流换热热阻大的一侧决定了整个传热过程的热阻。因此，强化传热，应加强对流换热系数小、热阻大的一侧的流体的换热；加肋是为了增大与流体的接触面积来强化传热的，故加在流体表面传热换热系数小的一侧传热效果好。