2017年上海市培养单位上海技术物理研究所814热工基础考研题库
● 摘要
一、简答题
1. 为什么热量传递和动量传递具有相似性?雷诺类比适用于什么条件?
【答案】(1)通过边界层分析,得到的边界层动量微分方程式和能量微分方程式形式完全一致,且各自对应的边界条件也是相同的,说明边界层中的速度分布和温度分布具有类似的规律。由于边界层中存在温度梯度,因此产生了热量的传递,传递的热量具体体现为热流密度q ;由于同时存在速度梯度,因此产生了动量传递,传递的动量具体体现为黏性应力
布的相似性说明热量传递与动量传递具有相似性。
(2)雷诺类比适用于Pr=l的流体。
2. 什么叫时间常数?试分析测量恒定的流体温度时对测量准确度的影响。
【答案】(1)具有时间的量纲,称为时间常数;
对测量准确度的影响:数值上等于过余温度为初始过余温度温度分布与速度分(2)
测量恒定的流体温度时
的0.368
时所经历的时间。越小,表示物体热惯性越小,到达流体温度的时间越短。测温元件的时间常数大小对恒温流体的测量准确度没有影响,对变温流体的测量准确度有影响,越小,准确度越高。
3. 根据对导热系数主要影响因素的分析,试说明在选择和安装保温隔热材料时要注意哪些问题。
【答案】(1)根据工作温度选择适合的保温材料;
(2)进行保温计算时应考虑温度对保温材料导热系数的影响;
(3)选择导热系数小的材料,其密度在最佳密度附近,使其具有最佳保温性能;
(4)保温材料的保温性能受水分影响很大,必须采取防水措施;
(5)采用各向异性材料时要注意导热方向对导热系数的影响。
4. 试说明用热平衡法对节点建立温度离散方程的基本思想。
【答案】用热平衡法对节点建立温度离散方程的基本思想是用有限小元体代替微分分析中的无限小微元体,用傅里叶定律写出与周边元体的导热量,由净导热量与内热源量和内能增量之间的能量平衡关系得到节点方程。
5. 试说明集总参数法的物理概念及数学上处理的特点。
【答案】(1)集总参数法的物理概念是指当内外热阻之比趋于零时,影响换热的主要环节是在边界上的换热能力,而内部由于热阻很小而温度趋于均匀,以至于不需要关心温度在空间的分布,温度只是时间的函数;
(2)集总参数法数学上处理的特点:数学描述上由偏微分方程转化为常微分方程,大大降低
了求解难度。
6. 大容器沸腾换热过程有哪几个主要的区域,并指出临界热流密度在什么情况下会对加热壁面造成损坏?
【答案】大容器沸腾换热过程有四个主要的区域,分别是:自然对流沸腾区、核态沸腾区、过渡沸腾区和膜态沸腾区。
由于到达临界热流密度后加热壁面温度的升高反而使热流密度下降,直至进入稳定膜态沸腾后换热热流密度才随热流密度的升高而再次増加,但此时加热壁面温度已相当高。这样,在控制热流密度的加热过程中,当加热热流密度高于临界热流密度后就会引起壁面温度的急剧升高,从而会造成加热壁面的损坏(如电加热、核反应堆燃料棒的加热过程)。因此,在实际工作中应避免沸腾换热的设备运行在临界热流密度附近。如果是控制加热壁面温度的加热过程就不会出现上述现象,也就不必控制临界热流密度。
7. 用高斯-赛德尔迭代法求解代数方程时是否一定可以得到收敛的解?不能得出收敛的解时是否因为初场的假设不合适而造成?
【答案】(1)高斯-赛德尔迭代法求解代数方程时不一定能得到收敛的解;
(2)不一定能得到收敛的解其原因不是因为初场的假设不合适,而是由于迭代方式不合适。
8. 写出基尔霍夫定律的数学表达式,说明其含义及适用条件。 【答案】表明善于吸收的物体必善于发射,反之亦然。适用条件:实际物体与黑体投射辐射处于热平衡,或者为灰体。
9. 非稳态导热采用显式格式计算时会出现不稳定性,试述不稳定性的物理含义。如何防止这种不稳定性?
【答案】(1)不稳定性的物理含义是指在显式格式离散方程中,后一时刻的温度取决于前一时刻的温度,同一节点温度前的系数有出现负值的可能性。如果出现负值,就意味着该点温度在前一时刻温度越高,则后一时刻温度将越低,甚至会出现比周围节点温度还要低的现象,这违背了热力学第二定律。
(2)为防止这种导致数值计算不稳定性的现象发生,要求空间网格和时间网格的选取必须满足一定的条件,从而使同一节点的离散系数不出现负值。
10.为什么用普朗特数可以定性地判断流体外掠平板时的速度边界层和温度边界层的相对厚度?
【答案】普朗特数分子表征了流体由于分子运动而扩散动量的能力,这一能力越大,粘性的影响传递的越远,速度边界层越厚;分母则表征了热扩散的能力,因此,两者相比,基本上可以反映边界层的相对厚度。
二、计算题
11.有人对一阶导数提出了以下表示式:
您能否判断这一表达式是否正确,为什么?
【答案】这一表达式不正确。
得一阶导数的近似公式:
代入上式得:
正确的表达式应是:
12.一外径的实质是求解函数一阶导数的三点公式。由泰勒级数可导的蒸汽管道,蒸汽温度为400℃。管道外包了一层厚0.065m 的材料A ,测得
的材料B 。测得材料B 的外表面温度为30℃,
其外表面温度为40℃,但材料A 的导热系数无数据可查。为了知道热损失情况,在材料A 外又包了一层厚0.02m ,导热系数内表面温度为180℃。试推算未包材料B 时的热损失和材料A 的导热系数
【答案】蒸汽凝结传热热阻和金属壁导热热阻可以忽略,对于绝热材料B :
则:
未包材料B 时的热损失: