对流传热与传质讨论复习题解答参.docVIP

对流传热与传质期末复习题 请主要3－2、10－2和17题 1、结合外掠平壁层流对流换热的求解，试述由边界层控制方程得到精确解和利用边界层积分方程式得到近似解两种方法的主要步骤、特点并比较其结果。 答：对于外掠平壁层流对流换热，由边界层控制方程得到精确解的主要步骤为：先根据外掠平壁流动的边界层动量方程和连续性方程，运用相似变换用流函数将动量方程转化为常微分方程，根据相应的边界条件就可得到速度分布的精确解，在求出速度分布的基础上，根据能量方程式和相应的边界条件即可得到温度分布的精确解，从而得到壁面热流和局部换热系数。特点是：由边界层动量方程式得到的精确解，它的解依赖于速度分布的具体形式，且只适用于Re1的情况，不适用于进口导边附近的区域。 而利用边界层积分方程式得到近似解的主要步骤为：首先假定能满足有关边界条件的无量钢温度分布，在u∞、tw和t∞都是常数的假定下，根据低速定物性流体外掠平壁的焓厚度定义式进行积分，可得到焓厚度及其沿轴向变化，壁面热流即可求出，进一步可得到换热系数。其特点在于用边界层积分方程式进行求解，它的解并不十分依赖于速度分布的具体形式，且工作量小，简便。 结果比较：两种方法得到的解结果完全一致。 2、同样是层流对流换热，为什么外掠平壁的Nu～Re1/2，而管内充分发展的则hX＝常数？ 答：流体外掠平壁时，从进口处形成速度边界层和热边界层，且随着流体的往前推进而逐渐增厚，到一定距离后会发生层流到紊流的过渡，不会象管内流动那样出现充分发展区，热流密度也不是常数而是和x有关，即，因此局部换热系数，局部努谢尔数，所以可得，即Nu～Re1/2； 流体在管内作层流换热时，在充分热发展区，流体的无量纲温度分布不沿流体的推进方向而变化，只是r的函数，管壁处沿径向的无量纲温度梯度也不推进方向变化，即＝常数，而壁温tw和流体的混合平均温度tm不随径向距离r变化，而换热系数是用壁温和流体混合平均温度之差来定义的，即，显然为常数。 3、以常压下20℃的空气在10 m/s的速度外掠表面温度为45℃的平壁为例，计算离平壁前缘1mm、2mm、5mm、10mm、50mm、100mm、200mm、300mm、1000mm、2000mm、5000mm、100000mm处局部表面换热系数和平均换热系数（已知20℃的空气(=0.0259W/(m.K)）。 27℃的水以2 m/s的速度外掠表面温度为45℃的平壁，试计算离平壁前缘1mm、2mm、5mm、10mm、50mm、100mm、200mm、300mm、1000mm、2000mm、5000mm、100000mm处局部表面换热系数和平均换热系数。 分析外掠平壁对流换热系数随距平壁前缘距离x的变化规律，比较层流、过渡流、湍流时的对流换热系数并给以说明。 答：外掠平壁时，时，层流区，Pr＝0.5～15时 局部表面换热系数，平均换热系数 时，过渡流 局部表面换热系数（Pr＝0.5～1），平均换热系数 时，湍流区 局部表面换热系数，平均换热系数 (1)定性温度=(45+20)/2=32.5℃ 此时空气物性参数，查表可得， x=1mm时，＝615.76，层流 =7.35，=14.70 x=2mm时，＝1231.52，层流 =10.39，=20.78 x=5mm时，＝3078.80，层流 =16.43，=32.86 x=10mm时，＝6157.6，层流 =23.24，=46.48 x=50mm时，＝30788.0，层流 =51.96，=103.92 x=100mm时，＝61576.0，层流 =73.5，=147.0 x=200mm时，＝123152.0，层流 =103.9，=207.8 x=300mm时，＝184728.0，层流 =127.28，=254.56 x=1000mm时，＝615760.0，过渡流 =1000.17，=2000.34 x=2000mm时，＝1231520.0，过渡流 =1741.4，=3482.8 x=5000mm时，＝3078800.0，过渡流 =3624.5，=7249.0 x=100000mm时，＝6.15×107，湍流 =38534，=77068 （2）定性温度=(45+27)/2=36℃ 此时水，查表可得， x=1mm时，＝28.02， =2.96，=5.92 x=2mm时，＝56.04， =4.18，=8.36 x=5mm时，＝140.1， =6.61，=13.22 x=10mm时，＝280.2， =9.35，=18.7 x=50mm时，＝1401， =20.9，=41.8 x=100mm时，＝2802， =29.6，=59.2 x=200mm时，＝5604， =41.8，=83.6 x=300mm时，＝8406， =51.2，=102.4 x=1000mm时，＝28020，