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1、化工原理化工原理principles of chemical engineering第六章第六章 传热总结传热总结延安大学化学与化工学院延安大学化学与化工学院第六章第六章 传热传热第一节第一节 概述概述第二节第二节 热传导热传导第三节第三节 对流给热对流给热第四节第四节 沸腾给热与冷凝给热沸腾给热与冷凝给热第五节第五节 热辐射热辐射第六节第六节 传热过程的计算传热过程的计算第七节第七节 换热器换热器6.1.1 传热过程在化工生产中的应用传热过程在化工生产中的应用 第一节第一节 概述概述1、原料、产品的加热和冷却、原料、产品的加热和冷却一、传热的目的一、传热的目的2、设备或管道需要、设备或管道需

2、要保温和隔热保温和隔热，节省能源，降低生产成本，节省能源，降低生产成本3、废热能和冷量的回收再利用、废热能和冷量的回收再利用二、传热过程中冷热流体的接触方式二、传热过程中冷热流体的接触方式1、直接接触式传热、直接接触式传热2、间壁式传热、间壁式传热3、蓄热式传热、蓄热式传热 冷流体热流体热流体冷流体 蓄热式换热器示意图蓄热式换热器示意图 三、载热体及其选择三、载热体及其选择载热体：载热体：为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体 供给或取走热量的流体供给或取走热量的流体对载热体要求：对载热体要求：1.1.载热体的温度应易于调节载热体的温度应易于调

3、节2.2.载热体的饱和蒸汽压宜低，加热时不会分解载热体的饱和蒸汽压宜低，加热时不会分解3.3.载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本没有腐蚀载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本没有腐蚀4.4.载热体应价格低廉而且容易得到载热体应价格低廉而且容易得到6.1.2 传热过程传热过程一、传热速率一、传热速率AQq 1.热流量热流量Q 表示换热器传热的快慢表示换热器传热的快慢 单位时间内热流体通过整个换热器的传热面，传递给单位时间内热流体通过整个换热器的传热面，传递给冷流体的热量。冷流体的热量。单位：单位：w w2.热通量热通量q单位时间、通过单位传热面积所传递的热量。单位时间、通过单位传热面积所传递

4、的热量。单位：单位：w/mw/m2 2 三、稳态传热与非稳态传热三、稳态传热与非稳态传热 稳态传热：稳态传热：传热过程中，如果传热系统中各处传热过程中，如果传热系统中各处温度温度只随位置而变，只随位置而变， 而不随时间而变，而不随时间而变，称此过程为稳态传热过程。此时，热称此过程为稳态传热过程。此时，热 流量流量Q为常数为常数。 非稳态传热：非稳态传热：传热过程中，如果传热系统中各处传热过程中，如果传热系统中各处温度及有关物理温度及有关物理 量（如量（如Q、q等）随时间而变等）随时间而变，称此过程为非稳态传，称此过程为非稳态传 热过程。热过程。物体中的物体中的分子或质点不发生宏观位移分子或质点

5、不发生宏观位移。1 1、热传导、热传导二、传热的基本方式二、传热的基本方式流体中流体中质点的位移和混合质点的位移和混合而引起的热量传递过程。而引起的热量传递过程。2 2、对流给热、对流给热 仅发生在液体和气体中仅发生在液体和气体中特点：特点：流体中质点有相对的宏观位移流体中质点有相对的宏观位移3 3、热辐射、热辐射 热辐射是以热辐射是以电磁波电磁波的形式发射的一种的形式发射的一种辐射能辐射能，辐射能被，辐射能被物体物体全部或部分的吸收全部或部分的吸收而而变为热能变为热能。一、一、温度场温度场 稳态温度场：稳态温度场： ),(zyxft ),(zyxft 非稳态温度场：非稳态温度场：6.2.1

6、傅里叶傅里叶(Fourier)定律和热导定律和热导率率 第二节第二节 热传导热传导 二、等温面二、等温面三、温度梯度三、温度梯度ntnttn0lim gradttttntnnAd法向法向等温面等温面等温面、温度梯度与热流方向等温面、温度梯度与热流方向 tqn 四、傅里叶四、傅里叶(Fourier)定律定律 热传导的基本定律热传导的基本定律式（式（6-5）注：注：热流方向与温度梯度方向相反热流方向与温度梯度方向相反五、热导率五、热导率qtn 单位，单位， W/(mK)或或 W/(m0C) 表示表示物质导热能力的强弱物质导热能力的强弱，是物质的一种物理性质；，是物质的一种物理性质； = f（物质的

7、结构、组成、密度、温度、压强、湿度等）（物质的结构、组成、密度、温度、压强、湿度等） 6.2.2 通过通过平壁的定态导热过程平壁的定态导热过程 t1txdxAt2t1 t2=ttQRA推动力阻力: RA其中导体的热阻导体的热阻K/W式（式（6-10）QtqA式（式（6-9）平壁内平壁内温度温度沿壁厚呈沿壁厚呈直线关系直线关系（为常数为常数）Q一、单层平壁的稳态热传导一、单层平壁的稳态热传导二、多层平壁的稳态热传导二、多层平壁的稳态热传导t1t211tt3稳态传热稳态传热QQQQtttQ A A

8、3 通过通过圆筒壁的定态导热过程圆筒壁的定态导热过程 一、单层圆筒壁的热传导一、单层圆筒壁的热传导=mtQA推动力阻力式（式（6-15）mmAd l式（式（6-16）221dddmd2/d12时时，dm取取对数平均值对数平均值1212lndddddm单层圆筒壁的导热热阻单层圆筒壁的导热热阻mRAd2/d1104, b.

9、性温度：除黏度定性温度：除黏度w w取壁温外，其余均取流体取壁温外，其余均取流体 进、出口温度的平均值进、出口温度的平均值当液体被加热时：当液体被加热时：当液体被冷却时：当液体被冷却时：0.14()1.05w0.14()0.95w式（式（6-42）w液体在壁温下的黏度液体在壁温下的黏度 3. 短管短管 l/d30-40的管子，管入口处扰动大，的管子，管入口处扰动大，较大，需给式较大，需给式(6-41)乘以校正乘以校正系数系数i对对校正校正1.021.07i：4. Re=的过渡流的过渡流 热阻大，需给式热阻大，需给式(6-41)乘以小于乘以小于1的校正的校正系数系数f51.8

10、6 101Ref 式（式（6-43） 5. 弯管弯管 由于离心力的作用，扰动加剧，给热系数增加由于离心力的作用，扰动加剧，给热系数增加=+dR（1 1.77） 直管的给热系数，直管的给热系数，W/(m2oC) d 管内径，管内径，m R 弯管的曲率半径，弯管的曲率半径，m式（式（6-44）6. 非圆管强制湍流给热系数非圆管强制湍流给热系数0.80.330.53210.02RePr(/)eddd de 直管的给热系数，直管的给热系数，W/(m2oC) d 2外管内径，外管内径，m d 1内管外径，内管外径，m式（式（6-45）（1） 定性尺寸按当量直径定性尺寸按当量直径de（2） 试验方法，例如

11、套管试验方法，例如套管d1d2二、流体在管外强制对流二、流体在管外强制对流 流体在圆管外垂直流过时，在管子圆周各点流动情况不同，流体在圆管外垂直流过时，在管子圆周各点流动情况不同，则各点的热阻和对流给热系数也不同。故需要整个圆周的则各点的热阻和对流给热系数也不同。故需要整个圆周的平均平均给热系数给热系数。4 . 0PrRencNu流体在管束外横向流过的对流给热系数可按下式计算：流体在管束外横向流过的对流给热系数可按下式计算：其中其中c、n为常数，见下表为常数，见下表式（式（6-48）依据：依据：热量衡算方程热量衡算方程 + 总传热速率方程总传热速率方程第六节第六节 传热过程的计算传热过程的计算

12、 设计型，操作型设计型，操作型 6.6.1 传热过程的数学描述传热过程的数学描述一、热量衡算方程：一、热量衡算方程：对热流体：对热流体：Q = qm1cP1(T1 - T2)对冷流体：对冷流体：Q = qm2 cP2 (t2 - t1)二、传热速率方程二、传热速率方程twTw对流对流导热冷流体热流体tTQ（6-115）（6-114）K总传热系数总传热系数，W/(m2K)各环节各环节热阻热阻，W/(m2K)-1 热阻较大的一侧称为：热阻较大的一侧称为：控制侧控制侧（控制步骤）（控制步骤）（6-117）d1d22内表面内表面外表面外表面dmd1和和d2的对数平均值的对数平均值三、污垢热阻三、污垢热

13、阻 污垢热阻一般不可忽略污垢热阻一般不可忽略。一般，污垢热阻只能根据。一般，污垢热阻只能根据经验经验数据确定数据确定之。之。 如换热器管壁两侧的污垢热阻分别用如换热器管壁两侧的污垢热阻分别用R1 和和 R2表示表示, 则则传热系数可由下式计算：传热系数可由下式计算：（6-118）1ddddRddRKm1ddddRddRKm以内表面为基准以内表面为基准以外表面为基准以外表面为基准四、壁温估算四、壁温估算此式表明：此式表明：传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比, 壁温壁温Tw 必必接近于热阻较小接近于热阻较小或或给热系

14、数给热系数 较大一侧较大一侧的流体温度。的流体温度。（6-119）（6-132）（6-131）ln)()(ln)()(tttttTtTtTtTtm其中其中对数平均温差对数平均温差或者或者对数平均推动力，对数平均推动力， 单位：单位：或者或者K。mtKAQ6.6.2 传热过程基本方程传热过程基本方程2111)(tTtTt1222)(tTtTt)()(ttcqTTcqQpmpm整个换热器的热量衡算为：整个换热器的热量衡算为：（6-129）一、设计型计算的命题方式一、设计型计算的命题方式设计任务：设计任务：将一定流量将一定流量qm1 的热流体自给定温度的热流体自给定温

15、度 T1 冷却至指定温度冷却至指定温度T2。设计条件：设计条件：可供使用的冷却介质温度可供使用的冷却介质温度, 即冷流体即冷流体 的进口温度的进口温度t1。计算目的：计算目的：确定经济上合理的确定经济上合理的传热面积传热面积及换热器及换热器 其它有关尺寸。其它有关尺寸。二、设计型问题的计算方法二、设计型问题的计算方法 设计计算的大致步骤如下：设计计算的大致步骤如下：1. 首先由传热任务计算换热器的首先由传热任务计算换热器的热流量热流量(通常称之通常称之为热负荷为热负荷) Q=qm1cP1 (T1T2) =qm2cP2 (t2t1)2. 作出适当的选择并计算平均推动力作出适当的选择并计算平均推动

16、力tm。3. 计算冷、热流体与管壁的计算冷、热流体与管壁的对流给热系数对流给热系数及及总传热总传热系数系数K；4. 由传热基本方程由传热基本方程Q=KAtm 计算计算传热面积传热面积。三、设计型计算中参数的选择三、设计型计算中参数的选择 为确定所需的传热面积为确定所需的传热面积, 必须求必须求tm 和和K。 为计算为计算tm, 设计者首先必须设计者首先必须1. 选择选择流体的流向流体的流向, 即决定采用逆流、并流还是其即决定采用逆流、并流还是其它复杂流动方式；它复杂流动方式；2. 选择选择冷冷却介质的却介质的出口温度出口温度。 为求得传热系数为求得传热系数K, 须计算两侧的给热系数须计算两侧的

17、给热系数, 故设计者必须决定：故设计者必须决定：1. 冷、热流体冷、热流体各走各走管内管内还是还是管外管外；2. 选择适当的选择适当的流速流速。同时同时, 还必须选定适当的污垢热阻。还必须选定适当的污垢热阻。四、选择的依据四、选择的依据 选择的依据不外经济、技术两个方面。选择的依据不外经济、技术两个方面。1. 流向的选择流向的选择 逆流操作的平均推动力大于并流逆流操作的平均推动力大于并流, 在一般情在一般情况下况下, 逆流操作逆流操作总是优于并流总是优于并流, 应尽量采用。应尽量采用。 但是但是, 对于某些热敏性物料的加热过程对于某些热敏性物料的加热过程, 并流并流操作可避免出口温度过高而影响

18、产品质量。操作可避免出口温度过高而影响产品质量。 另外另外, 在某些高温换热器中在某些高温换热器中, 逆流操作的最高逆流操作的最高温度温度t2 和和T1 集中在一端集中在一端, 会使该处的壁温特别高。会使该处的壁温特别高。为降低该处的壁温为降低该处的壁温, 可采用并流可采用并流, 以延长换热器的以延长换热器的使用寿命。使用寿命。2. 冷却介质出口温度的选择冷却介质出口温度的选择 冷却介质出口温度冷却介质出口温度t2 越高越高, 其用量越少其用量越少, 回收的回收的能量的价值也越高能量的价值也越高, 同时同时, 输送流体的动力消耗即操输送流体的动力消耗即操作费用也减小。作费用也减小。但是但是,

19、t2 越越高高, 传热过程的平均推动力传热过程的平均推动力tm 越小越小, 所需的加热面积所需的加热面积A 也越大也越大, 设备投资费用增设备投资费用增加。加。3.流速的选择流速的选择 一方面涉及传热系数一方面涉及传热系数K 即所需传热面的即所需传热面的大小大小, 另一方面又与流体通过换热面的阻力另一方面又与流体通过换热面的阻力损失有关。损失有关。 但不管怎样但不管怎样, 在可能的条件下在可能的条件下, 管内、外管内、外都必须尽量都必须尽量避免层流避免层流状态。状态。 除以上所述除以上所述, 还有多种选择因素还有多种选择因素, 设计换设计换热器需要全面而周全的考虑。热器需要全面而周全的考虑。换

20、热器的换热器的分类：分类：一、按用途一、按用途 加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。二、按传热方式二、按传热方式 第七节第七节 换热器换热器 3、蓄热式蓄热式1、间壁式间壁式三、按换热器传热面的形状和结构分类三、按换热器传热面的形状和结构分类1、管式换热器、管式换热器2、板式换热器、板式换热器 2、直接接触式、直接接触式6.7.1 间壁式换热器间壁式换热器 1 1、套管换热器套管换热器一、管式换热器一、管式换热器2 2、蛇管换热器、蛇管换热器 沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器 喷淋式换热器喷淋式换热器3 3、列管换热器、列管换热器化工生产中应用最

21、为广泛化工生产中应用最为广泛. .固定管板式固定管板式加热补偿圈加热补偿圈/ /膨胀节膨胀节 浮头式换热器浮头式换热器 U U型管式换热器型管式换热器1、夹套式换热器夹套式换热器二、板式换热器二、板式换热器2、平板式换热器平板式换热器3、螺旋板式换热器螺旋板式换热器4、板翅式换热器板翅式换热器6.7.2 列管式换热器的设计与选用列管式换热器的设计与选用 1流体流经管程或壳程的选择原则流体流经管程或壳程的选择原则2流体流速的选择流体流速的选择 3流体进、出口温度的确定流体进、出口温度的确定 4提高管内传热系数的方法提高管内传热系数的方法多程多程 5提高管外传热系数的方法提高管外传热系数的方法装置

22、挡板装置挡板 6管子的规格和管间距管子的规格和管间距列管式换热器设计或选用时应考虑的问题列管式换热器设计或选用时应考虑的问题（1 1）不清洁或易结垢不清洁或易结垢的流体，宜走的流体，宜走容易清洗的一侧容易清洗的一侧。对于直管。对于直管 管束易走管程；对于管束易走管程；对于U U形管束宜走壳程。形管束宜走壳程。（2 2）腐蚀性腐蚀性流体宜走流体宜走管程管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。，以免壳体和管束同时被腐蚀。 （3）压力高压力高的流体宜走的流体宜走管程管程，以避免制造耐高压的壳体。，以避免制造耐高压的壳体。（4）饱和蒸汽饱和蒸汽宜走宜走壳程壳程，以便于排出冷凝液。，以便于排出冷凝液。（5）需要

23、冷却需要冷却的流体宜走的流体宜走壳程壳程，便于散热，增强冷却效果。，便于散热，增强冷却效果。（6）有毒有毒流体宜走流体宜走管程管程，使向环境泄漏机会减少。，使向环境泄漏机会减少。（7）黏度大黏度大而而流量小流量小的流体宜走的流体宜走壳程壳程，因有折流挡板的作用，因有折流挡板的作用， 流速和流向不断改变，在低流速和流向不断改变，在低Re（ Re 100）数下即可达到）数下即可达到 湍流。湍流。一、流体流经管程或壳程的选择原则一、流体流经管程或壳程的选择原则 流体流速的选择涉及到传热系数、流体阻力及换热器结构流体流速的选择涉及到传热系数、流体阻力及换热器结构等方面。增大流速，不仅对流传热系数增大，

24、也可减少杂质沉等方面。增大流速，不仅对流传热系数增大，也可减少杂质沉淀或结垢，但流体阻力也相应增大。故应选择适宜的流速，通淀或结垢，但流体阻力也相应增大。故应选择适宜的流速，通常根据经验选取。选择流速时，应常根据经验选取。选择流速时，应尽量避免在层流尽量避免在层流下流动。下流动。 列管换热器中不同黏度液体的常用流速列管换热器中不同黏度液体的常用流速列管换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度列管换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度列管换热器中常用的流速范围列管换热器中常用的流速范围二、流体流速的选择二、流体流速的选择 换热器内两股流体进、出口温度，常由生产过程的工换热器内两股流体进、出口温度，常由

25、生产过程的工艺条件所决定，但在某些情况下则应在设计时加以确定。艺条件所决定，但在某些情况下则应在设计时加以确定。如用冷却水冷却某种热流体，冷却水进口温度往往由水如用冷却水冷却某种热流体，冷却水进口温度往往由水源及当地气温条件所决定的，但冷却水出口温度则需要源及当地气温条件所决定的，但冷却水出口温度则需要在设计换热器时确定。为了节约用水，可使水的出口温在设计换热器时确定。为了节约用水，可使水的出口温度高些，但所需传热面积加大；反之，为减小传热面积，度高些，但所需传热面积加大；反之，为减小传热面积，则可增加水量，降低出口温度。据一般的经验，则可增加水量，降低出口温度。据一般的经验，冷却水冷却水的温

26、度差可取的温度差可取510。缺水地区可选用较大温度差，水。缺水地区可选用较大温度差，水源丰富地区可选用较小的温度差。若用加热介质加热冷源丰富地区可选用较小的温度差。若用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。 三、流体进、出口温度的确定三、流体进、出口温度的确定 当流体流量较小而所需当流体流量较小而所需传热面积较大传热面积较大，即管数多，管，即管数多，管内流速较低时，为了提高流速，增大管程对流给热系数，内流速较低时，为了提高流速，增大管程对流给热系数，可采用多程，即在换热器封头内装置隔板。但程数多时，可采用多程，即在换热器封头内装置

27、隔板。但程数多时，隔板占去了布管面积，使管板上能利用的面积少，导致管隔板占去了布管面积，使管板上能利用的面积少，导致管程流体阻力增加，平均温度差下降。设计时应综合考虑这程流体阻力增加，平均温度差下降。设计时应综合考虑这些问题。列管换热器系列标准中管程数有些问题。列管换热器系列标准中管程数有1、2、4、6四种。四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。 四、提高管内传热系数的方法四、提高管内传热系数的方法多程多程 安装挡板的目的是为了安装挡板的目的是为了加大壳程加大壳程流体的速度，使流体的速度，使湍动程湍动程度度加剧，提高壳程流体的对流给热系数。加剧，提高壳程流体的对流给热系数。五、提高管外膜系数的方

1.1 试从力学分析的角度，比较流体与固体对外力抵抗能力的差别。

固体在承受一定的外力后才会发生形变;

而流体只要承受任何切力都会发生流动，直到切力消失;

流体不能承受拉力，只能承受压力。

1.2 何为连续介质模型？为了研究流体机械运动的规律，说明引用连续介质模型的可行性和必要性。

把流体当做是由密集质点构成的、内部无空隙的连续体来研究，这就是连续介质模型。建立连续介质模型，是为了避开分子运动的复杂性，将流体运动中的物理量视为空间和时间的连续函数，可以用数学分析法研究流动。

1.3 按作用方式的不同，以下作用力：压力、重力、引力、摩擦力、惯性力，哪些是表面力？哪些是质量力？

表面力：压力、摩擦力；

质量力：重力、引力、惯性力

1.4 为什么说流体运动的摩擦阻力是内摩擦阻力？它与固体运动的摩擦力有何不同？

摩擦阻力存在于内部各流层之间，所以叫内摩擦阻力。固体运动的摩擦力只作用于固体与接触面之间，内摩擦阻力作用于流体各流层之间。

1.5 什么是流体的黏滞性？它对流体运动有什么作用？动力黏滞系数和运动黏滞系数有何区别和联系？

黏滞性的定义可表示为流体阻抗剪切变形的特性。

由于流体具有黏性，在流动时存在着内摩擦力，便会产生流动阻力，因而为克服流动阻力就必然会消耗一部分机械能。消耗的这部分机械能转变为热，或被流体吸收增加了流体的内能，或向外界散失，从而使得推动流体流动的机械能越来越小。

运动黏滞系数是动力黏滞系数与密度的比。

1.6 液体和气体的黏度随着温度变化的趋向是否相同？为什么？

不同。对于液体，分子间距离小，分子的引力即内聚力是构成黏滞性的主要因素，温度升高，分子动能增大，间距增大，内聚力减小，动力黏滞系数随之减小；气体分子间的距离远大于液体，分子热运动引起的动量交换是形成黏滞性的主要因素，温度升高，分子热运动加剧，动量交换增大，动力黏滞系数随之增大。

1.7 液体和气体在压缩性和热胀性方面有何不同？它们对密度有什么影响？

液体的压缩系数和热胀系数随温度和压强变化不大，对密度产生的影响很小；

气体具有显著的压缩性和热胀性，温度和压强的变化对气体密度影响很大。

1.8 理想流体、不可压缩流体的特点是什么？

不可压缩流体是指每个质点在运动全过程中，密度不变的流体。理想流体即无黏性的流体。理想流体和不可压缩流体都是理想化模型，实际不存在。

1.9 非牛顿流体有哪些？它们与牛顿流体的区别是什么

聚合物液体、泥浆、血浆等都属于非牛顿流体。

它们不符合牛顿内摩擦定律。

2.1试述静力学基本方程

的物理意义和几何意义。

物理意义：静止液体中各点单位重量液体具有的总势能相等。

几何意义：表示静止液体中各点的测压管水头相等，测压管水头线是水平线。

2.2 绝对压强、相对压强、真空度的定义是什么？如何换算？

绝对压强： 绝对压强是以无气体分子存在的完全真空为基准起算的压强，用符号表示

相对压强：是以当地大气压为基准起算的压强，用符号表示

真空度：当某点的绝对压强小于当地大气压，在该点接一根竖直向下插入液槽中的玻璃管，槽内的液体在管内外压强差的作用下上升了 h高度，即为真空（高）度。

2.3 流体静压强有何特性？

流体静压强的方向沿作用面的内法线方向；
静止流体中任一点流体静压强的大小与其作用面在空间的方位无关，只是该点坐标的连续函数，即静止流体中任一点上不论来自何方的静压强均相等。

2.4 何谓压力体？虚、实压力体如何界定？

设想取铅垂线沿曲面边缘平行移动一周，割出的以自由液面（或其延伸面）为上底，曲面本身为下底的柱体就是压力体。

压力体和液体在曲面AB的同侧，称为实压力体。压力体和液体在曲面AB的异侧，习惯上称为虚压力体。

2.5液体表面压强不为零时，平面或曲面上的静水总压力如何计算？

2.6处于相对平衡的流体的等压面是否为水平面？为什么？什么条件下等压面是水平面？

不一定，因为相对平衡的流体存在惯性力。质量力只有重力作用下的平衡流体的压面是水平面。

3.1比较拉格朗日法和欧拉法，此两种方法及其数学表达式有何不同？

拉格朗日法是连续的描述某个选定的质点。

欧拉法，描述每个时刻整个场或者某个点的速度，温度，密度分布。欧拉法的数学表达式中加入了质点加速度随位置的变化关系

3.2 流线和迹线有什么不同？流线有哪些主要性质，在什么条件下流线和迹线重合？

流线是某一确定时刻在流场中所作的空间曲线，线上各质点在该时刻的速度矢量，都与之相切。流线是同一时刻连续流体质点的流动方向，是欧拉法对流动的描述。

迹线是同一质点在连续时间内的流动轨迹线。在恒定流中，流线不随时间变化，流线上的质点继续沿流线运动，此时流线和迹线完全重合。

3.3 在同一流场中，同一时刻不同流体质点组成的曲线是否都是流线？

不是。流线是指某一确定时刻在流场中所作空间曲线，线上各质点在该时刻的速度矢量，都必须与之相切。

3.4 何谓均匀流及非均匀流？以上分类与过流断面上流速分布是否均匀有无关系？

如果总流中的流线均为平行直线，则称为均匀流，反之为非均匀流。与流速分布是否均匀无关。

3.5 流场为有旋运动时，流体微团一定做圆周运动吗？无旋运动时，流体微团一定做直线运动吗？

不一定，有旋运动是指流体微团做旋转运动，不一定是圆周运动；无旋运动不一定是直线运动，即便微团运动的轨迹是圆，但微团本身无旋转，流体仍是无旋运动。

3.6 流体微团的旋转角速度与刚体的旋转角速度有什么本质区别？

刚体的角速度是描述整个刚体转动的一个整体性的特征量；而流体的角速度只是描述流体微团转动的一个局部性的特征量。

4.1 有人认为均匀流和渐变流一定是恒定流，急变流一定是非恒定流，这种说法是否正确？请说明理由。

错误。均匀流不一定是恒定流。因均匀流是相对于空间而言，即运动要素沿流程不变，而恒定流是相对于时间而言，即运动要素不随时间而变。两者判别标准不同。

错误。急变流指流线曲率较大或流线间夹角较大、流速沿程变化较急剧的流动。

而如果流场中任何空间点上有任何一个运动要素是随时间而变化则为非恒定流。

4.2 对水流流向问题有如下一些说法：水一定是从高处向低处流，水一定从压强大的地方向压强小的地方流，水一定从流速大的地方向流速小的地方流，这些说法是否正确？为什么？正确的说法应如何？

三种说法均不正确，由于水在流动过程中有能量损失，所以水流过程中只能由能量高处向能量低处流。位置高低，压强大小及流速大小不是判断依据。

4.3何谓渐变流，渐变流有哪些重要性质？引入渐变流概念，对研究流体运动有什么实际意义？

渐变流是指各流线接近于平行直线的流动。也就是说各流线之间的夹角很小，而且流线的曲率半径很大。渐变流是属于非均匀流的范畴中的，之所以称其为渐变流是指流线虽不互相平行却几乎接近平行直线，其也可以称作缓变流。

实际流体运动中，由于影响因素很多，给研究问题带来很大的困难。这时，为把问题简化，往往先按理想情况来考虑，找出规律后，再加以修正，然后应用于实际。

4.4 恒定总流的伯努利方程，其各项的物理意义和几何意义是什么？

分别是单位重量流体从某一基准面算起所具有的位能，压能和总势能。

  Z是元流上某点到基准面的位置高度，又称位置水头；

4.5 应用伯努利方程时，其中的位置水头可以任意选取基准面来计算，为什么？

方程两边都有位置水头项。最终算出来的结果是一个差值，所以说基准面的选取并不影响计算结果。

4.6 有旋流动中不存在速度势函数，那么是否存在流函数呢？为什么？势流为什么能够叠加？它对解决实际问题有什么好处？

无论是有旋流动还是无旋流动,只要是不可压缩流体的平面流动, 就存在流函数。

势流为无旋，是调和函数，满足柯西-黎曼条件，所以可以叠加。

4.7为什么要引入平面流动这一概念？平面流动中存在着流函数，那么空间流动中是否一定存在着流函数？为什么？

3、只要满足连续性方程，就存在流函数，流函数为定值就是一条条流线，任何流动都可以绘制出流线

5.1 何谓量纲？量纲和单位有什么不同？

将一个物理导出量用若干个基本量的乘方之积表示出来的表达式,称为该物理量的量纲式,简称量纲。

某个量的量纲只表示该量的性属, 而不表示该量的大小，单位则表示量的大小。因此, 它仅用来定性地描述物理量, 特别是定性地给出导出量与基本量之间的关系。

5.2 何谓动力相似，何谓运动相似？

运动相似：满足几何相似的流场中，对应时刻、对应点流速（加速度）的方向一 致，大小的比例相等，即它们的速度场（加速度场）相似。

动力相似：两个运动相似的流场中，对应空间点上、对应瞬时作用在两相似几何 微团上的力，作用方向一致、大小互成比例，即它们的动力场相似。

5.3 如何用π定理建立无量纲方程？应该如何选择基本量？若基本量选择的不同是否其结果也不同，为什么？

（1）确定关系式：根据对所研究的现象的认识确定；

（2）确定基本量：从n个物理量中选取所包含的m个；

（3）确定π数的个数N（π）=（n-m）；

（4）确定各π项基本指数a,b,c；

基本变量与基本量纲相对应。即若基本量纲（M，L，T）为三个，那么基本变量也选择三个；选择基本变量时，应选择重要的变量；不能有任何两个基本变量的因次是完全一样的。

基本量选择不同并不会导致结果不同。

只要三个基本量代表的量纲各不相同，那么最终的结果都是相同的。

5.4何谓相似准则？模型试验怎样选择相似准则？

相似准则又叫“相似参数”、“相似模数”、“相似判据”等，是在判断两个现象之间相似性时使用的概念，目前是实验流体力学（或者风洞实验设计）中应用比较广泛。一般来说，相似准则是一些无量纲组合数。

根据物理现象相似的定义，两个流场相似等价于两个流场对应点在对应时刻所有表征流动状态的相应物理量各自保持固定比例。一般要求几何相似、运动相似、动力相似、热力学相似以及质量相似，两个流动才相似。

5.5 一般情况下能否做到雷诺准则与弗劳德准则同时满足？能否做到欧拉准则与弗劳德准则同时满足？

很难实现同时满足所有准则，

一般只能满足一个同名准则相等。

6.1 两个管径不同的管道，通过不同黏性的流体，它们的临界流速是否相同？临界雷诺数是否相同？

临界雷诺数从来不会变化，都是2300。

6.2紊流中存在脉动现象，具有非恒定性质，但是在紊流中又有恒定流的概念，其中有无矛盾？为什么？

紊流中的恒定流是指瞬时速度的时均值是不变的，恒定的。

6.3 若管道的管径、管长及粗糙高度不变，沿程阻力系数是否随流量的增大而增大？沿程水头损失是否随流量的增大而增大？

从尼古拉兹曲线角度解释：即在阻力平方区沿程阻力系数不变，不随流量变化，在其他区域都随流量变化。

6.4 有一根给定的输水管道，怎么实测它的沿程阻力系数？

在输水管道测压段的两个断面列1-2断面能量方程，由于管段水平放置，管道沿程不变，所以管道沿程阻力系数可以通过测压管高度差计算。

6.5 是否表面上几何光滑的管道一定是“水力光滑”管，而表面上几何粗糙的管道一定是“水力粗糙”管？为什么？

几何光滑的管道一定是“水力光滑”管，而表面上几何粗糙的管道不一定是“水力粗糙”管。

当粘性底层远远大于当量粗糙度K_s，粘性底层完全掩盖当量粗糙度K_s，称为水力光滑；当粘性底层不能掩盖当量粗糙度时K_s，称为水力粗糙。当几何粗糙的管道表面粘性底层被完全掩盖时，就可以达到水力光滑。

如思考题6.6图所示的实际流体流动，若水位恒定，管长分别为2L和L，管径分别为D和2D，试比较流量Q_1和Q₂、流速v₁和v₂的大小。

6.7 管路的流动装置如思考题图6.7所示，当阀门开度减小，则阀门前后两测压管的液面高度h1、h2如何变化？为什么？

左边测压管水面上升，右边测压管水面下降。

当阀门开度减小，流量逐渐减小，阀门左段管中水流的动能将部分转化为压能，使测压管水面上升。右端管由于出口水流不断流出，总量愈来愈小，测压管水面也随之下降。也可以认为阀门开度减小增大了水头损失，使两测压管高差增大。

6.8 变直径管道如思考题图6.8所示，有同种流体，以相同的流量自左向右或自右向左流动，试问两种情况下的局部水头损失是否相同？为什么？

不同，从左向右流为突扩过程，局部水头损失系数为

从右向左流为突缩过程，局部水头损失系数为

6.9 弯管内装导流叶片可降低弯管的局部阻力系数，试问其能降低局部阻力系数的原因，并指出如思考题6.9图所示的（a）（b）两种情况那一种正确？为什么？

在弯管内布置一组导流叶片，可以减少旋涡区和二次流。

越接近内侧，导流叶片应该布置地越密集，选b。

，方向又转90°的流动中，如思考题6.10图所示的两种情况下，（a）先扩后弯和（b）先弯后扩，哪种的总局部水头损失大一些？为什么？

两种情况差别很大，可以用数据算一下.

实际工程一定先扩后弯。

7.1 试讨论物体在实际流体中运动和在理想流体中运动，其边界条件有何差别？

对理想流体而言：在小雷诺数时，惯性力较黏滞力小很多时，可以忽略惯性项求解方程。

对于实际流体：首先大多数处于高雷诺数情况，黏滞力较惯性力小很多，若忽略黏滞力，在黏性流体绕圆柱的绕流运动就无法得出正确结论。

7.2圆管内流动的雷诺数和沿平板流动的雷诺数定义有何不同？

（只是层流边界层），(课本P141）；

特征长度不同，即传热学上所说的定性尺寸不同。

7.3物体绕流产生的边界层分离后引起的物体形状阻力增大还是减少？

增大（因为形状阻力的大小决定于尾流区的大小）

7.4 流线型物体表面的边界层是否一定不会形成分离？

不一定，要判断在增压减速区中，靠近壁面流体流速是否趋近于零；

还和雷诺数、物体形状等因素相关。

7.5 物体表面上的边界层分离后引起的摩擦阻力的变化情况怎样？

7.6 边界层分离与哪些因素有关？试举例说明

流体流速，绕流物体的形状，流体的粘滞系数。

流速越大，分离点后移；

形状接近于流线形，分离点后移；

粘滞系数越小，分离点后移。

8.1 思考题8.1图中穿孔板上各孔眼的大小形状相同，问每个孔口的出流量是否相同？

相同，作用水头高度都是液面高度差。

8.2 薄壁小孔口的自由出流和淹没出流的流量系数和流速系数有何异同？

自由出流和淹没出流的流速系数相同，但是含义不同。自由出流时a_c近似于1，淹没出流突扩局部阻力系数近似于1；而流量系数形式相同，各项系数值也相同。

8.3 在管道的水力计算中，长管和短管是如何区分的？

水力学中的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，长管是指水头损失以沿程水头损失为主，其局部水头损失和流速水头在总损失中所占的比重很小；短管是指局部水头损失及流速水头在总损失中占有相当的比列，如大于5%（摘自百度）

8.4 为什么在管网的水力计算中一般不考虑局部水头损失？

因为管网中水力计算，沿程水头损失占大部分，局部水头损失就可以忽略。

8.5 什么叫阻抗S（综合阻力数）？该量为什么有两种单位（kg/m⁷ 、s²/m⁵）？在何情况下，S与管中流量无关，而仅决定于管道的尺寸和构造？

综合反映管道流动阻力情况的系数。一个多用于液体管路的计算，一个多用于不可压缩气体的管路计算。

8.6 并联管路中各只管的流量分配遵循什么原理？如果要得到各支管的流量相等，该如何设计管路？

对于S的定义式中，只有是与实际流体流动情况有关，故当可以忽略时，即短管条件下，S仅决定于管道的尺寸和构造。

8.7 供热系统的凝结水箱回水系统如思考题8.7所示，试写出水泵应具有的作用水头表达式。   

8.8 产生水击的内因和外因都是什么？有哪些措施可以减少水击压强？

外因：阀门突然启闭、换向阀突然变换工位、水泵机组突然停机等，

内因：流体流速和动量突然变化，引起液体压强大幅度波动的现象。

措施：延长阀门关闭或开启的时间；限制管中的流速；缩短管长；如果是直接水击，还可以增加管道的弹性。

11.1 射流的基本特征是什么？为什么要用无因次量研究射流运动？

几何特征、运动特征、动力特征（课本P203、P204）。因为实际射流的边界难以严格分辨，这里应从统计意义上理解，因此要用无因次量研究射流运动。

11.2 何谓过渡断面？何谓起始段和主体段？

喷嘴附近速度保持u₀的部分区域称为射流核心区，核心区消失的横断面称为过渡断面。过渡断面之前具有核心区的部分称为射流起始段，过渡断面之后的部分称为射流主体段。

11.3 何谓断面平均速度和质量平均速度？为什么要定义质量平均速度v₂？

断面平均流速v₁=Q/A，质量平均速度

；因为射流断面平均流速v₁仅为轴心流速u_m的20%，而工程上通常使用的是轴心附近较高的速度区。说明断面平均流速不能恰当的反映被使用区的速度，故引入质量平均流速v₂。

11.4 温差射流中，无因次温度分度曲线为什么在无因次速度曲线外侧？（参看图11.4）

由于热量扩散比动量扩散要快些，因此温度边界层比速度边界层发展得要快些厚些。

11.5 温差射流的基本特征是什么？为什么射流轨迹会发生弯曲？如何建立轨迹方程？

几何特征、温差分布特征、热力特征（课本P208、P209）；由于密度与周围气体密度不同，所受的重力与浮力不相平衡，使整个射流发生向上或向下弯曲；用近似的处理方法计算射流轴线轨迹方程。

11.6 旋转射流、受限射流与自由淹没射流有哪些不同？试对比说明。

边界不同、入流方式不同。

12.1 声速的定义是什么？如何计算声速？

可压缩流体的小幅震动称谓声波，其在流体中的传播速度称为声速，用a表示。

（气体中的声速公式）。

12.2 何谓滞止参数？如何计算滞止参数？

气体某断面的流速，设想以无摩擦绝热过程降低至零时，该断面上各参数所达到的值，称为滞止参数。断面滞止参数可根据等熵流动方程及该断面上的参数值求出。

12.3 气流按不可压缩流体处理引起的误差有多少？

按不可压缩流体计算所引起的绝对误差为

12.4 为什么使用拉伐尔喷管？

使用拉伐尔喷管可以把气体的压力降低到临界值以下，得到超声速气流。

12.5 何谓极限管长？为什么实际管长大于极限管长时流量不再增加？

当管道出口断面的马赫数

时，相应的管长就是极限管长。超过极限管长

，流速不再增加。如果实际管长大于极限管长，则管内流动将出现阻塞现象。此时，实际流量将减小到进口断面马赫数

12.6 试分析变截面喷管中等熵气流的声速、马赫数及焓的沿程变化趋势。

减缩喷管中，截面积沿程减小，

。说明流速沿程增大，密度、压强、温度皆沿程减小。对于超声速流动

。说明流速沿程减小，密度、压强、温度皆沿程增大。

（沿程变化趋势见课本P226表12.1）

1．热量传递的三种基本方式为、、。

（热传导、热对流、热辐射）

2．热流量是指，单位是。热流密度是指，单位是。

（单位时间内所传递的热量，W，单位传热面上的热流量，W/m2）

3．总传热过程是指，它的强烈程度用来衡量。

(热量从温度较高的流体经过固体壁传递给另一侧温度较低流体的过程，总传热系数)

4．总传热系数是指，单位是。

（传热温差为1K时，单位传热面积在单位时间内的传热量，W／(m2·K)）

5．导热系数的单位是；对流传热系数的单位是；传热系数的单位是。

6．复合传热是指，复合传热系数等于之和，单位是。（对流传热与辐射传热之和，对流传热系数与辐射传热系数之和，W／(m2·K)）

7．单位面积热阻r t的单位是；总面积热阻R t的单位是。

8．单位面积导热热阻的表达式为。

9．单位面积对流传热热阻的表达式为。

10．总传热系数K与单位面积传热热阻r t的关系为。

11．总传热系数K与总面积A的传热热阻R t的关系为。

12．稳态传热过程是指。

（物体中各点温度不随时间而改变的热量传递过程。）

13．非稳态传热过程是指。

（物体中各点温度随时间而改变的热量传递过程。）

14．某燃煤电站过热器中，烟气向管壁传热的辐射传热系数为30W/(m2.K)，对流传热系数为70W/(m2.K),其复合传热系数为。

15．由炉膛火焰向水冷壁传热的主要方式是。

16．由烟气向空气预热器传热的主要方式是。

17．已知一传热过程的热阻为0.035K/W，温压为70℃，则其热流量为。

18．一大平壁传热过程的传热系数为100W/(m2.K)，热流体侧的传热系数为200W/(m2.K)，冷流体侧的传热系数为250W／(m2.K)，平壁的厚度为5mm，则该平壁的导热系数为，导热热阻为。（5 W/(m.K)，0.001(m2.K)/W）

19．总传热方程式可表示为φ＝或q＝。