北京理工大学材料加工冶金传输原理期末试题A-B试题及答案解析.doc

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《冶金传输原理》试题（A）参考答案
一、 名词解释（每题2分，共16分）
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1. 不压缩流体：指流体密度不会随压强改变而变化，或该变化可忽略的流体。

2. 速度边界层：指在靠近边壁处速度存在明显差异的一层流体，即从速度为零到0.99倍的地方称为速度边界层。
3. 雷诺准数及其物理意义：,表征惯性力与粘性力之比。是流态的判断标准。
4. 黑度（发射率）：实际物体的辐射力与相同温度下黑体的辐射力之比称为物体的黑度，也叫发射率。
5. 傅立叶准数及其物理意义：，也称时间准数，表示非稳定传热所进行的时间与其达到平衡状态所需要的总时间之比；或τ时间内非稳态传热的传热量与其达到稳态（平衡）时传输的总热量之比。
6. 热通量与传质通量：单位时间内通过单位面积的热量称为热（量）通量；单位时间通过单位面积的物质量称为传质通量。
7. 角系数：由表面1投射到表面2的辐射能量占离开表面1的总辐射能量的份数称为表面1对表面2的角系数，用符号表示，即：。
8. 流向传质与非流向传质：与流体流动方向相同的传质叫做流向传质；与流体流向垂直的传质叫做非流向传质。

二、 填空题（每空1分，共19分）
1 理想流体是指不存在 粘性力，或其作用可忽略的流体。
2 气体超音速射流产生过程中，气体流股截面积先 收缩 后 膨胀 ，压强 不断降低。
3 流场中流体各物理量只是 空间单一方向的函数，称一维流场
4 固体壁面无滑移边界条件是指 壁面速度与相接触的流体层速度相等 ，而无渗透边值条件为 垂直于壁面方向流体速度为零 。
5 如果流场中每点的物理量值都一致,则称其为 均匀场；如果各点的物理量值不随时间而变化，则称其为 稳态场。
6 根据动量守恒定律，可以推导出纳维－斯托克斯方程；根据 能量守恒定律 ，可以推导出传热微分方程；根据 质量守恒定律 则可以分别推导出流体连续性方程方程和 质量传输 微分方程。
7 研究对流给热的主要任务，就是求解对流给热系数h。现在求解h的方法有四种，它们分别是 边界层微分方程组解析解 、边界层近似积分解、 类比律法 、和 相似理论指导下的实验方法 。
8 一般说来，固体的导热系数 大于 （大于、等于、小于）液体，液体的导热系数 大于 （大于、等于、小于）气体；在固体中，通常金属的导热系数 大于 （大于、小于、等于）非金属，结晶物质的导热系数 大于 （大于、小于、等于）非晶物质的导热系数；大多数金属的导热系数随温度的升高而 降低 （升高、降低、不变）。
三、 选择题（每题5分，共15分）
1. 伯努利方程表达式错误的是 D 。
A. =常数 B.
C. =常数 D.

2. 单层圆筒壁内外流经物性和温度均不同的流体1和流体2，那么该单层圆筒壁在第III类边界条件下，一维稳态导热的总热阻为RΣ= B 。
A.
B.
C
D
3. 已知环境流体对直径为100mm的圆柱体的总对流给热系数h为120 W/(m2·℃)，圆柱体的平均导热系数λ为163 W/(m·℃)，比热Cp为440J/(kg·℃)，密度ρ为8800 kg/m3，则 C 。
A 因为体系的Bi = 0.0736<0.1，所以可以视为薄材。
B 因为体系的Biv = 0.0368>0.033，所以不能视为薄材。
C 因为体系的Bi = 0.0368<0.1，所以可以视为薄材。
D 因为体系的Biv = 0.0736>0.05，所以不能视为薄材。

四、 简答题（每题5分，共20分）

1. 流体流动过程主要受到哪几类力的作用？各自常见的力有哪些？
流体主要受到体积力和表面力两大类力的作用，体积力常见的有：质量力、电磁力；表面力常见的有：粘性力和压应力。

2. 请说明的物理含义

首先是粘性应力，由于x方向流动速度在y方向存在差异而产生于流体内部。下角标y表示力的法向，x表示力的方向。
同样代表粘性动量通量，此时下角标y表示动量传递方向，x表示动量的方向。

3. 简述对流给热（换热）的机理，为什么说边界层导热是对流给热的限制性环节？
答：对流给热是指流体流经与之温度不同的固体界面时，流体与固体之间所发生的热量传输现象，是对流传热和传导传热的综合结果。在流体与固体壁面交界处存在（速度边界层和）温度边界层，温度边界层外近似无温度梯度，温度梯度只存在于边界层内。对于层流边界层，层与层之间没有宏观物质传输，传热主要依靠传导传热，热阻很大；湍流边界层内由于存在层流底层，传热也要依靠传导传热，热阻也很大。因此，边界层导热是对流给热的限制性环节。

4. 简述气体辐射与火焰辐射及其区别。
答：气体的辐射和吸收能力与其分子结构有关，对波长有明显的选择性，因此气体的辐射和吸收光谱是不连续的，支能吸收或辐射一定波长范围的辐射能，不同的气体，波长范围不同；另外气体辐射属于表面辐射。而实际火焰中一般含有大量的固体颗粒，多是发光火焰，少有纯净气体燃烧发出的不发光火焰，因此在火焰辐射中起主要作用的是炭黑、灰尘等固体颗粒，这些固体颗粒的辐射和吸收类似于固体辐射，可以在可见光谱和红外光谱范围内连续发射辐射能量，由此它们的光谱是连续的。
五、 计算题（每题10分，共30分）
1. 粘性系数的流体流过两平行平板的间隙，间隙宽，流体在间隙内的速度分布为 ， 其中C为待定常数，y为垂直于平板的坐标。设最大速度 ， 试求最大速度在间隙中的位置及平板壁面上的切应力。

解：1）由速度分布可知y坐标原点位于下平板

由

即中心处 u取最大值，在两板中央取速度最大值(5分)
将 代入速度分布式

（7分）
2）

y = 0

（10分，能给出一个就给分。未求出C值者扣2分）
流体作用于上下平板的壁面切应力都是，且均指向流动方向，而正负号不同则源于应力正负向的规定。

2. “冰冻三尺，非一日之寒”。设若地表可以看作是半无限厚物体，温度分布可表示为，初始温度为t0=10℃，后受到冷空气侵袭，地表温度突然降为tw=-15℃并维持不变。确定这种条件下，地面下1m处温度降为0℃所需的时间。已知：地表土壤土质均匀，土壤物性参数分别为：；高斯误差函数表如下：
erf(0.42)＝0.45 erf(0.44)＝0.47 erf(0.46)＝0.48 erf(0.48)＝0.50
erf(0.50)＝0.52 erf(0.52)＝0.54 erf(0.54)＝0.55 erf(0.56)＝0.57
erf(0.58)＝0.59 erf(0.60)＝0.60 erf(0.62)＝0.62 erf(0.64)＝0.63
erf(0.66)＝0.65 erf(0.68)＝0.66 erf(0.70)＝0.68 erf(0.72)＝0.69
erf(0.74)＝0.70 erf(0.76)＝0.72 erf(0.78)＝0.73 erf(0.80)＝0.74

解：依题意，地表的降温可以看作是办无限厚物体的导热。地表土壤的物性取为

所以有

即：
查表得：
得天
由上面的分析可知当地表温度很低时，地下还可以保持较高的温度。
所以将水管埋在地下可防止水结冰。

3. 干空气以5m/s的速度吹过0.3m×0.3m的浅的盛水盘，在空气温度30℃、水温10℃的条件下，已知水分子在空气中的扩散系数D=2.44×10-5m2/s。问：水的蒸发速率（g/s）是多少？（若空气沿平板流动为层流，则有；若空气沿平板流动为湍流时，则）；不同温度下物性参数如下：
温度，℃
10
20
30
动量扩散系数η值，10-6 m2/s
14.16
15.06
16.00
水表面饱和水蒸气的密度ρ，g/m3
9.404
17.31
30.40

解：以题意，v=5m/s，L=0.3m，tf =30℃，tw =10℃，D=2.44×10-5 m2/s
得知：℃，查得20℃条件下η=15.06×10-6 m2/s，并求得：
，属于层流，适用层流绕流平板准数方程，于是有：

m/s

答：水的蒸发速率是1.227×10-2 g/s。

冶金工程《冶金传输原理》试题（B）
一、 名词解释（每题2分，共16分）
1. 层流
流体质点在流动方向上分层流动，各层互不干扰和掺混，这种流线呈平等状态的流动称为层流。
2. 表面力
作用于流体微元界面（而非质点）上的力，该力与作用面的大小成比例
3. 粘性系数
表征流体变形的能力，由牛顿粘性定律所定义的系数：,速度梯度为1时，单位面积上摩擦力的大小。
4. 热通量与传质通量：单位时间内通过单位面积的热量称为热通量；单位时间通过单位面积的物质量称为传质通量。
5. 温度梯度：在温度场中某点P的温度梯度定义为该点所在等温面或等温线法线方向，单位长度上的温度增量。
6. 修伍德准数的表达式：
7. 傅立叶准数的物理意义：，傅立叶准数又称时间准数，表征不稳态传热趋于稳态的程度，或者说是不稳态传热进行的时间与由不稳态传热达到稳态所用总时间之比。
8. 黑度（辐射率、发射率）：实际物体的辐射力与相同温度下黑体的辐射力之比称为物体的黑度，也叫发射率、辐射率。
二、 填空题（每空1分，共19分）
1. 一维圆管中水流的质量守恒表达式为
2. 伯努力方程的物理意义是 压 能、 动 能、 势 能总和守常。其积分式应用条件是 不可压缩 、 沿流线 、 稳态流 、 理想流体 、 只有重力场 。
3. 如果动量传输微分方程可以写作，则热量传输微分方程可以写作（改为），质量传输微分方程可以写作。
4. 影响流体对流给热系数的因素可以归结为四个方面。它们分别为：流体流速、流体的物性参数、流体温度 和和固体壁面的几何形状、尺寸。
5. 一般说来，固体的导热系数 大于 （大于、等于、小于）液体，液体的导热系数 大于 （大于、等于、小于）气体；在固体中，通常金属的导热系数比非金属 大 （大、小、等于），结晶物质的导热系数要比非晶物质的导热系数 大 （大、小、等于）；大多数金属的导热系数随温度的升高而 降低 （升高、降低、不变）。
三、 选择题（每题5分，共15分）
4. 纳维尔-斯托克斯方程表达式正确的为 D 。

A.
B.
C
D

5. 如果半无限厚、无限大平壁的温度分布可写作，有限厚、无限大平板的温度分布可写作，无限长圆柱体的温度分布可写作，那么，一个半无限长圆柱体内的温度分布式可写作 c 。
A. A×B
B. B×C
C. A×C
D. A×B×C
6. 现有两种保温材料，要敷设在外径为0.025m的管道外层保温。已知保温材料Ⅰ的导热系数lⅠ＝0.135 J/s×m×℃，保温材料Ⅱ的导热系数lⅡ＝0.090J/s×m×℃，保温层外表面与空气的对流给热系数h＝9 J/s×m2×℃。那么，不管敷设厚度如何，只要敷设， f 能对管道起到保温作用。
E. 保温材料Ⅰ
F. 保温材料Ⅱ
G. 保温材料Ⅰ和Ⅱ两者都
H. 保温材料Ⅰ和Ⅱ两者都不
四、 简答题（每题5分，共20分）
5. 纳维尔-斯托克斯方程和欧拉方程的应用条件各是什么？
N-S方程：不可压缩、物性守常、粘性流体
欧拉方程：无粘流体

6. 什么是速度边界层,边界层的提出有何意义?
指在靠近边壁处速度存在明显差异的一层流体，即从速度为零到0.99倍的地方称为速度边界层。提出后对于湍流流动可分为主流区（无粘流动）和边界层流动，据各自方程可求速度，使原本不可求的流动问题可解。

7. 在室内温度相同、穿着相同的条件下，为什么冬天的室内比夏天的室内让人感觉更冷？
答：是因为人体与墙壁辐射换热的作用。室内气温相同、穿着相同的条件下，人的体温大致相同。但冬天的墙壁温度要低于夏天的墙壁温度，冬天人体通过辐射换热传给墙壁的热量要比夏天的大，因此会使人感觉更冷
8. 分子扩散传质与传导传热的联系与区别：两者都是依靠物体之间相接触时分子或原子（基本粒子）之间的热运动来实现的，在温度差和浓度差同时存在时，基本粒子之间的热运动可同时引起分子扩散传质和传导传热，这是他们之间的联系。区别是分子扩散传质要发生宏观物质位移，而传导传热则没有或可以忽略。因此温度对分子扩散传质和传导传热的影响是不同的。
五、 计算题（每题10分，共30分）
1. 设静止液体中密度随深度h而增加，式中k为常数，为上液面密度，试据运动方程推导液体中压强随深度变化规律。

2. 用热电偶测量钢水的温度。已知钢水的温度为1650℃，热电偶插入钢水前的温度为20℃。热电偶的接点可以看作是球形，直径d = 1mm，密度ρ=7900kg/m3，等压比热Cp=420 J/(kg℃)，导热系数λ=50 W/(m℃)。热电偶接点与钢水的对流换热系数h = 3000 W/(m2℃)。已知“薄材”的无量纲温度计算公式为，求热电偶测得钢水温度为1648℃时所需的时间。
解：首先判断热电偶是否为“薄材”。
，满足“薄材”的条件，可以视为“薄材”。
根据“薄材”的无量纲温度计算公式
可知

答：热电偶测得钢水温度为1648℃时所需的时间为1.24s。

3. 原始含炭量为0.10%碳的低碳钢工件在950℃温度下表面渗碳，这时碳在钢中的平均扩散系数为D=3.0×10-11m2/s，若在渗碳气氛中使表面碳浓度ρw维持在1.5%，已知半无限厚平板分子扩散的浓度分布可表示为：。求：经过5小时后距表面1.0mm深度处的碳浓度。
erf(0.50)＝0.52050 erf(0.52)＝0.53790 erf(0.54)＝0.55494
erf(0.56)＝0.57162 erf(0.58)＝0.58792 erf(0.60)＝0.60386
erf(0.62)＝0.61941 erf(0.64)＝0.63459 erf(0.66)＝0.64938
erf(0.68)＝0.66378 erf(0.70)＝0.67780 erf(0.72)＝0.69143
erf(0.74)＝0.70468 erf(0.76)＝0.71754 erf(0.78)＝0.73001
解：依题意，有

答：经过5小时后距表面1.0mm深度处的碳浓度为0.57%

山水是一部书，枝枝叶叶的文字间，声声鸟鸣是抑扬顿挫的标点，在茂密纵深间，一条曲径，是整部书最芬芳的禅意。春风翻一页，桃花面，杏花眼，柳腰春细；夏阳读一页，蔷花满架，木槿锦绣、合欢幽香、蜀葵闲澹，一派峥嵘；秋风传一页，海棠妆欢，野菊淡姿，高远深邃；冬雪润一页，水仙临水一舞，腊梅素心磬口，向爱唱晚。
山水是一部书，枝枝叶叶的文字间，声声鸟鸣是抑扬顿挫的标点，在茂密纵深间，一条曲径，是整部书最芬芳的禅意。春风翻一页，桃花面，杏花眼，柳腰春细；夏阳读一页，蔷花满架，木槿锦绣、合欢幽香、蜀葵闲澹，一派峥嵘；秋风传一页，海棠妆欢，野菊淡姿，高远深邃；冬雪润一页，水仙临水一舞，腊梅素心磬口，向爱唱晚。