九州大学 工学府 機械系専攻 2019年8月実施 熱工学 問2
Author
祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)
Description
図2.1に示すように,発熱体が真空層を挟んで固体壁と向き合っている。発熱体の左側は断熱されており,内部は単位体積あたり H(W/m3) で一様に発熱している。発熱体の左側および右側の温度は,それぞれ T0 および T1 であり,固体壁は一定温度 T2(K) に保たれている。発熱体と固体壁の間はふく射で熱が輸送される。発熱体の厚さおよび熱伝導率は,それぞれ L(m) および k(W/(m⋅K))(一定)であり,奥行きと垂直方向の長さは無限である。(55点)

ただし,発熱体右側と固体壁の間(無限平行平板間)のふく射による熱伝達は次式で計算される。
q12=1/ε1+1/ε2−1σ(T14−T24)(W/m2)
ε1,ε2 は面1(発熱体右側)および面2(固体壁)の放射率,σ はステファン・ボルツマン定数(W/(m2⋅K4))である。この時,以下の問いに答えよ。ただし,解答はすべて H,L,k,σ のいずれかを用いて表せ。また定常問題として取り扱ってよい。
(1) 発熱体から固体壁への熱流束 q12(W/m2) を求めよ。
(2) 一次元定常熱伝導方程式を解いて,発熱体左右の面の温度差 T0−T1 を求めよ。
(3) ε1=ε2=1/8,かつ T1=2T2 の時,T1 を求めよ。
次に(3)の状態で真空層に非常に薄い板を挿入したところ,発熱体右面の温度 T1 は T1b に変化し,板の温度は T3 となった。板の放射率は両側ともに 1/8 であり,内部の温度は均一とみなしてよい。この時,以下の問に答えよ。
(4) 板から固体壁への熱流束 q32 を求めよ。
(5) T3 を求めよ。
(6) 発熱体右面の温度の板挿入前後の比 T1b/T1 を有効数字3桁で求めよ。ただし,必要に応じて 431≃2.36 を用いてよい。
题目描述
如图2.1,发热体隔着真空层与固体壁相对。发热体左侧绝热,内部均匀体积发热量为 H(W/m3)。其左、右表面温度分别为 T0,T1,固体壁保持恒温 T2(K)。两者之间以辐射方式传热。发热体厚度为 L(m),导热系数恒为 k(W/(m⋅K)),深度及竖直方向长度均无限。(55分)
发热体右表面与固体壁之间,即无限平行平板间的辐射换热由下式计算:
q12=1/ε1+1/ε2−1σ(T14−T24)(W/m2).
ε1,ε2 分别为表面1(发热体右侧)、表面2(固体壁)的发射率,σ 为斯特藩—玻尔兹曼常数,单位为 W/(m2⋅K4)。所有答案均用 H,L,k,σ 中必要的量表示,可按稳态处理。
(1) 求发热体传向固体壁的热流密度 q12(W/m2)。
(2) 求解一维稳态导热方程,求发热体左右表面的温差 T0−T1。
(3) 当 ε1=ε2=1/8 且 T1=2T2 时,求 T1。
随后在(3)的状态下向真空层插入一块极薄板,发热体右表面温度从 T1 变为 T1b,薄板温度为 T3。薄板两面的发射率均为 1/8,内部温度可视为均匀。
(4) 求薄板传向固体壁的热流密度 q32。
(5) 求 T3。
(6) 求插板后与插板前的发热体右表面温度之比 T1b/T1,保留3位有效数字。必要时可使用 431≃2.36。
Kai
(1)
左面断熱、定常であるため、発熱の全量が右面から出る。
q12=HL[W/m2].
(2)
kT′′+H=0,T′(0)=0,T(0)=T0
を積分すると T(x)=T0−Hx2/(2k)。したがって
T0−T1=2kHL2.
(3)
放射抵抗は 8+8−1=15、T24=T14/16 なので
HL=15σ(1−1/16)T14=16σT14.
よって
T1=2(σHL)1/4,T2=(σHL)1/4.
(4)
薄板にも定常のエネルギー収支を適用すると、入る熱と出る熱が等しい。
q32=HL[W/m2].
(5)
HL=15σ(T34−T24),σT24=HL
より σT34=16HL。したがって
T3=2(σHL)1/4.
(6)
発熱体と薄板の間も同じ熱流束・放射抵抗なので
σ(T1b4−T34)=15HL,σT1b4=31HL.
よって
T1T1b=(1631)1/4=2431≃1.18.
Reference