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2017年哈尔滨工业大学航天学院820工程流体力学考研仿真模拟题

  摘要

一、简答题

1. 简述和准则的物理意义。和时,一维平板非稳态导热温度分布的特点(用图形表示)。 【答案】表示物体内部导热热阻与物体表面对流换热热阴的比值,它和第三类边界条件有密切的联系。

是非稳态导热过程中的无量纲时间,表示非稳态导热过程进行的深度。

意味着平板的导热热阻趋于零,平板内部各点的温度在任一时刻都趋于均匀一致,如

图1所示。

表明对流换热热阻趋于零,平板表面与流体之间的温差趋于零,如图2所示。

1

图2

2. 肋片高度增加引起两种效果:肋效率下降和散热表面积增加。因而有人认为,随着肋片高度的

增加会出现一个临界高度,超过这个高度后,肋片散热量反而会下降。试分析这一观点是否正确。

【答案】(1)这一观点是不正确的。

(2)计算公式表明,肋片散热量与

以散热量不会

随高度増加而下降。

第 2 页,共 61 页 的双曲正切成正比,而双曲正切是单调增加函数,所

3. 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。

4. 什么是“半无限大”物体?半无限大物体的非稳态导热存在正规状况阶段吗?

【答案】(1)所谓“半无限大”物体,是指平面一侧空间无限延伸的物体。

(2)因为物体向纵深无限延伸,初始温度的影响就远不会消除,所以半无限大物体的非稳态导热不存在正规状况阶段。

5. 当把盛有稀饭的碗放在水盆中冷却时,搅动稀饭和搅动水盆中的水,两种情况下稀饭冷却的速度一样吗?为什么?

【答案】不一样。搅动稀饭冷却速度快(1分)。因为稀饭与水间的传热过程,稀饭侧热阻为主要热阻,要强化换热应首先从稀饭侧入手。而搅动稀饭时稀饭内部形成强制对流,并且各时刻稀饭内的温度基本相同,加大了稀饭外界间的传热湿差,冷却速度快。

6. 对于流体外掠平板的流动,试利用数量级分析的方法,说明边界层内垂直于平板的速度与平行于平板的速度相比是个小量。

【答案】

设流体的来流速度为

在边界层内

的变化范围为的变化范围为

根据连续方程有平板的长度为

边界层厚度为

由边界层理论知

的变化范围为

利用量级分析有:的变化范围为即所以温度分布与速度分垂直于平板的速度与平行于平板的速度相比是个小量。

7. 太阳能集热器采用选择性表面涂层,它对太阳辐射的吸收率为0.9, 它本身的发射率为0.3, 这一现象是否违背基尔霍夫定律?为什么?

【答案】(1)这一现象与基尔霍夫定律不矛盾。

(2)原因:基尔霍夫定律的基本表达式为

表面的定向光谱发射率等于它的定向光谱吸收比。

太阳能集热器的吸收板表面上覆盖的选择性涂层,它所吸收的阳光来源于太阳,它对阳光的吸收比是针对太阳温度而言的; 而它本身的发射率是针对其自身的温度。太阳的温度与太阳能集热器吸收板表面的温度显然不同。温度不同使阳光与太阳能集热器吸收板表面自身辐射的光谱分布也不同。所以,这种选择性涂层能使表面吸收阳光的能力与本身辐射的能力不一样与基尔霍夫定

第 3 页,共 61 页 ,它表明:在热平衡条件下,

律并不矛盾。

8. 试分析室内暖气片的散热过程,各环节有哪些热量传递方式?(以暖气片管内走热水为例)。

【答案】(1)有以下换热环节及传热方式:由热水到暖气片管道内壁,热传递方式是对流换热

;由暖气片管道内壁至外壁,热传递方式为导热; (强制对流)

(2)由暖气片外壁至室内环境和空气,热传递方式有辐射换热和对流换热。

9. 分析双层保温杯中从热水到外界环境的传热过程,并提出提高保温性能的措施或途径。

【答案】(1)传热过程:内部水通过向对流换热传热给内层内壁,而后通过导热传给内层外壁,内层外壁通过对流换热及辐射换热传热给外层内壁,内壁通过导热传热给外层外壁,外壁通过自然对流换热与外界空气交换热量。

(2)措施:内、外层间抽真空,内层外壁及外层内壁作表面处理,减小表面发射率,内、外层间加层,相当于加遮热板。

10.不同温度的等温面(线)不能相交,热流线能相交吗? 热流线为什么与等温线垂直?

【答案】(1)热流线也不能相交。这是因为与热流线垂直方向没有热流分量。

(2)热流线与等温线垂直的原因是因为如热流线不垂直于等温线,则等温线上必有一热流分量。而等温线上无温差,q=0, 只有热流线垂直于等温线才能使等温线上的分热流为零。

二、计算题

11.如图所示,一个二维稳态导热物体,其导热系数

数为。试建立数值求解边界节点温度为常数,右侧平直边界面与环境同时发生、边界面的表面传热系对流与辐射换热,其表面发射率为。环境可看作无限大空间,温度为的离散方程。

【答案】可采用热平衡法或有限差分法离散。以热平衡法为例:

其中,

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