1 / 7东 北 大 学 继 续 教 育 学 院冶金传输原理 复习题 一、选择题1、按连续介质的概念，流体质点是指：DA 流体的分子；B 流体内的固体颗粒；C 几何的点；D 几何尺寸同流动空间相比是极小量,又含有大量分子的微元体。2、理想流体的特征是：CA 粘度是常数；B 不可压缩；C 无粘性；D 符合 pV=RT。3、变直径管流,细断面直径 d1,粗断面直径 d2=2d1,粗细断面雷诺数的关系是 DA Re1=0.5Re2；B Re1=Re2；C Re1=1.5Re2；D Re1=2Re2。D4、流速势函数存在的必要与充分条件是：A 平面无旋流动；B 理想流体平面流动；C 不可压缩流体平面流动；D 无旋流动。5、以下结论中，哪个是对流传质理论中的表面更新论的结论？CA K=D /δc′；B K=2√Dπτ；C K=√DS二、判断题1、在温度场中，等温面可以是连续的，也可以是不连续的。错2、实际物体的辐射力总是小于黑体，其辐射能量的分布遵守普朗克定律。错3、紊流流动中惯性力与该流体的粘性无关。对4、牛顿流体就是理想流体。错课程名称: 冶金传输原理 2 / 75、有两个圆形管道，管径不同，输送的液体也不同，则流态判别数（雷诺数）不相同。错三、简答题1、何为相似第三定理（又称π定理）？相似原理的 π 定理是：描述一类现象的 k 个物理变量，若其中包含 l 个基本量纲（因次），则这 k 个变量可组成 k -l 个相似准数，且这 k 个变量之间的关系可表示成 k-l 个准数之间的关系，即F( π1, π2,⋯, πk-l)=0更进一步，仅由自变量（决定性参数）组成的准数称为决定性准数，含有因变量（非决定性参数）的准数称为非决定性准数。非决定性准数可表示成决定性准数的函数。令 n=k-l，即共有 n 个相似准数。若其中 m 个准数为决定性准数，则非决定性准数的个数为 n-m，进而有πi, 非决＝ fi(π1 ,决， π2,决，⋯， πm , 决) i=1 , 2, ⋯, n-m一般写成πi,非决＝ a0π1 , 决a1π2 ,决a 2⋯πm , 决am)ln πi, 非决=ln a0+a1ln π1, 决＋ a2ln π2, 决＋⋯＋amln πm , 决通过实验数据的线性回归可得到a0, a1, a2, ⋯ am2、请给出本征扩散系数及互扩散系数的定义及物理意义。本征扩散系数：以扩散组元自身的基与本体移动坐标的浓度梯度通过菲克第一定律来定义的扩散系数。它表示的是组元本身在某一介质中的扩散能力。互扩散系数：两组元的混合物发生互扩散时，以某一扩散组元的基与空间静止坐标的浓度梯度通过菲克第一定律来定义的扩散系数。它反映了两扩散组元之间的相互影响。本征扩散系数DA、DB与互扩散系数DAB之间的关系为：3、用管道输送热流体时，什么情况下外包保温材料反而会导致热损失增大？输送热流体的管道外包保温材料时，单位管长的总热阻为rΣ=1πd1h1+12 πλ1lnd2d1+12 πλxlndxd2+1πdxh2式中λx为保温材料的导热系数，dx为外包保温材料后的管外径。由式可见，随dx增加，第二项热阻增加，但第三项热阻减小，说明存在总热阻的极值。可证明此极值为极小值，故存课程名称: 冶金传输原理 3 / 7在所谓的临界绝热直径，其值为dc=2λx/h2。当d2<dc时，外包保温材料使热阻减小，热损失增加。当d2≥dc时，外包保温材料使热阻增加，热损失减少。4、室内温度同为 20℃，为什么夏天着衬衣即可而冬天必须着毛衣？地面结霜为什么总发生在晴天的早晨？ 主要原因是辐射换热。①夏天室内墙壁温度高，与人体之间的辐射换热少，故着衬衣即可。冬天室内墙壁温度低，与人体之间的辐射换热多，故需着毛衣保温才能感觉不冷。②此时的辐射换热体系可模化为地球小表面与大气层外大空间之间的辐射换热。大气层外空间的温度可近似为绝对零度，晴天的大气层为透明体，使得地表与外层空间的辐射换热强度大于大气与地表之间的对流和导热换热强度，导致尽管大气温度高于冰点，但地表温度下降到冰点以下，使地表空气中的水分凝固结晶在地表上，形成所谓的结霜。1、请解释连续介质的概念答：从物理学的观点来看，流体是由运动着的分子组成的，且分子之间是有空隙的。因此，从微观方面来考虑流体问题时，需要从分子运动学说来研究。但我们所感兴趣的不是个别分子的微观运动，而是由大量分子组成的宏观流体。大量分子的统计平均特性就构成了宏观流体的特性，包括压力、速度、密度和粘度等。这些特性，都是大量分子的行为和作用的平均效果，均能从实验中直接测出，这样，我们就可以把流体视为充满其所占的空间，有大量的没有间隙存在的流体质点所组成；或者说把有空隙真实的流体，看成是有无限多个流体（或称为微团）所组成的稠密而无间隙的所谓连续介质，也就是假定流体具有连续性和稠密型。4、简述边界层对流传质的薄膜论、渗透论和表面更新论。答：（1）薄膜论：课程名称: 冶金传输原理 4 / 7假定传质只发生在假想的、浓度为线性分布的有效浓度边界层（dc'）内，对流传质系数 k 与扩散系数 D 的关系为 k =Ddc'，即对流传质系数与扩散系数的一次方成正比。薄膜论的缺陷是假定了相界面的稳定。（2）渗透论：湍流核心内的流体微团不断地向壁面迁移，并以均恒的停留时间（称为微团寿命）与壁面接触，接触期间发生不稳态的扩散传质过程，然后又回到湍流核心中去。无数的流体微团连续地进行这种不稳态扩散过程，产生宏观上稳态的对流传质效果。这时，对流传质系数k 与扩散系数 D 的关系为 k=2√Dpt，即对流传质系数与扩散系数的二分之一次方成正比。渗透论的缺陷是假定了所有流体微团的寿命相同。（3）表面更新论：从表面微元寿命应服从某一分布的概念出发，假定表面寿命分布函数为 ，同时定义表面更新率 S 为任何寿命的表面在单位时间内被更新的分数，从而得到表面寿命分布函数 与表面更新率 S 之间的关系为f (t )=S⋅e− St。这时，对流传质系数 k 与扩散系数 D 的关系为 k =√DS，即对流传质系数与扩散系数的二分之一次方成正比。表面更新论弥补了渗透论假定均衡寿命的缺陷。5、请给出导热、对流给热和辐射换热三种基本传热方式的机理及影响因素。答：导热：固体或静止的流体中依靠分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动而进行的热量转移。影响因素有物质的种类、结构、密度、成分及温度等。对流给热：一般指流动流体与静止固体壁面间的换热，一方面是脉动涡流对热量的输运，同时另一方面也包括导热的效果。影响因素有流动状态、流速、流体粘度、比热以及影响导热的所有因素。课程名称: 冶金传输原理 5 / 7辐射换热：两物体间依靠热辐射波长段的电磁波所进行的热交换。影响因素有两物体的表面温度、表面黑度、两表面间的相对位置及所夹介质的物性。四、计算题1、已知流体流动的流速场为 ux=ax；uy=by；uz=0，判断该流动是无旋流还是有旋流？（10 分）解：故液体流动是无旋流。2、长 1.5 米，宽 0.3 米，黑度 0.6 的钢坯水平放置于环境温度为 20℃的地面上。请计算当钢坯温度为 200℃时钢坯上表面由于辐射和自然对流造成的单位面积的热损失。已知此问题 的定性 温度下空 气的物性 参数为： 导热系 数 λ=3.27×10-2W/(m·℃) ；运 动粘度ν=24.24×10-5m2/s；普兰特准数 Pr=0.687。热面朝上的水平壁面的自然对流给热可从下述的准数方程中择一计算。Num=αLλ=0 . 54(Gr⋅Pr )14 层流 Gr·Pr = 2×104～8×106 Num=αLλ=0. 15(Gr⋅Pr )13 湍流 Gr·Pr = 8×106～1×1011 （15 分）解：辐射热损失课程名称: 冶金传输原理 6 / 7qR=E=eC0(T100)4=0.6´ 5 .67 ´(200+273100)4=1702 . 9Wm2 对流热损失定型尺寸 L=0 .5+1 .52=1 m定性温度 tmtw+tf2=200+202=110℃Gr⋅Pr=β gL3ν2Dt⋅Pr=9 .81 ´ 13´(200−20 )´ 0 . 687(273+110)´ (24 . 24 ´ 10−6)2=5. 4 ´ 109 属于湍流，所以Num=0 .15´ (5 . 4 ´109)13=263α=NumλL=263 ´ 3 . 27 ´10−21=8 .6Wm2⋅° Cqc=α(tw−tf)=8. 6´ (200−20)=1548Wm23.对初始含碳量为零的纯铁件进行表面渗碳。若渗碳气氛使铁件表面含碳量保持在 Cs，计算铁件表面 0.5mm 深处 1 小时后的含碳量。请问若使 0.8mm 深处的含碳量达到 0.5Cs，需要多长的渗碳时间。已知 C 在 Fe 中的扩散系数为 310-11m2/s。求解中所需的误差函数可用下式计算。erf (η)≈2√π3 ηη2+3 或 erfc (η)=1−erf (η)≈1−2√π3 ηη2+3（15 分）解：该问题属表面浓度恒定的半无限大物体中的非稳态扩散，其浓度分布为C−CSC0−CS=erf(x2√Dt) 或 C−C0CS−C0=1−erf(x2√Dt)=erfc(x2√Dt)由于 C0=0，所以课程名称: 冶金传输原理 7 / 7C−C0CS−C0=1−erf(x2√Dt)=erfc(x2√Dt)(1)钢件表面 0.5mm 深处 1 小时后的含碳量C−C0CS−C0=1−erf(x2√Dt)=erfc(x2√Dt)erfc (0. 7607 )=1−2√π3×0. 76070. 76072+3=0.2804∴ C=0 . 2804 CS（2）0.8mm 深处碳含量达到 0.5Cs 所需要的时间 因此秒 = 6.5194 小时课程名称: 冶金传输原理 5.02DtxerfcCCS5.03321)(2erfc5.033224431.033203293.134431.022938.64767.04431.023293.14431.04332422aacbb4767.01032108.02113tDtx2347010314767.02108.01123t