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Ⅰ 动量传输 1

1 流体的基本性质及流体静力学 1

1.1 流体的概念及连续介质假设 1

1.1.1 流体的概念 1

1.1.2 连续介质假设 2

1.2 流体的密度、重度、比容 3

1.3 流体的压缩性和膨胀性 4

1.3.1 液体的压缩性和膨胀性 4

1.3.2 气体的压缩性和膨胀性 5

1.4 流体黏性 5

1.4.1 流体黏性的概念 5

1.4.2 牛顿黏性定律 6

1.4.3 动力黏度、运动黏度和恩氏黏度 6

1.4.4 温度和压强对流体黏度的影响 7

1.4.5 理想流体的概念 7

1.5 作用在流体上的力 9

1.5.1 质量力 9

1.5.2 表面力 9

1.6 流体静力学 9

1.6.1 流体静压强及其特性 9

1.6.2 流体的平衡微分方程 11

1.6.3 静力学基本方程 12

1.6.4 流体压强的测量 16

1.6.5 静力学基本方程工程应用实例 18

本章小结 19

思考题与习题 21

2 流体动力学 23

2.1 流体运动的基本概念 23

2.1.1 研究流体运动的两种方法 23

2.1.2 稳定流与非稳定流 25

2.1.3 迹线和流线 26

2.1.4 流管与流束 29

2.1.5 流量和平均速度 29

2.1.6 系统和控制体 30

2.2 连续性方程 30

2.2.1 直角坐标系下的连续性方程 30

2.2.2 一维总流的连续性方程 32

2.3 理想流体的运动微分方程——欧拉方程 34

2.4 实际流体的运动微分方程——纳维尔-斯托克斯方程 36

2.5 理想流体和实际流体的伯努利方程 38

2.5.1 理想流体沿流线的伯努利方程 38

2.5.2 实际流体沿流线的伯努利方程 40

2.5.3 实际流体总流的伯努利方程 41

2.6 伯努利方程的应用 43

2.6.1 应用条件 43

2.6.2 毕托管 44

2.6.3 文丘里管 45

2.7 稳定流的动量方程积分形式 46

本章小结 50

思考题与习题 53

3 黏性流体管内流动 56

3.1 流体运动的两种状态和能量损失的两种形式 56

3.1.1 雷诺实验 56

3.1.2 流动状态的判据——雷诺数 57

3.1.3 能量损失的两种形式 58

3.2 圆管中的层流运动 59

3.2.1 速度分布 59

3.2.2 流量计算 60

3.2.3 沿程损失 61

3.2.4 圆管内流动起始段 62

3.3 圆管中的湍流运动 62

3.3.1 脉动现象与时均值的概念 62

3.3.2 湍流核心和黏性底层（层流边界层） 63

3.3.3 水力光滑管和水力粗糙管 63

3.3.4 湍流中总切向应力 64

3.3.5 圆管中的湍流运动速度分布 65

3.3.6 湍流沿程损失的基本关系式 66

3.3.7 沿程阻力系数λ值的确定 67

3.4 局部阻力系数的确定 71

3.4.1 截面突然扩大的局部损失 71

3.4.2 其他类型的局部损失 73

3.5 管道水力计算 75

3.5.1 串联管路 75

3.5.2 并联管路 76

3.5.3 虹吸现象 78

本章小结 78

思考题与习题 82

4 气体动力学基础 85

4.1 微弱扰动的传播速度 85

4.1.1 微弱扰动的一维传播 85

4.1.2 声速 87

4.1.3 马赫数 88

4.2 微弱扰动在空间流场中的传播特征 88

4.2.1 静止流场中微弱扰动的传播特征 88

4.2.2 直线均匀亚声速流中微弱扰动的传播特征 88

4.2.3 直线均匀声速流中微弱扰动的传播特征 89

4.2.4 直线均匀超声速流中微弱扰动的传播特征 90

4.3 气体一维定常流动的基本方程 90

4.3.1 连续方程 91

4.3.2 运动方程 91

4.3.3 能量方程 91

4.3.4 状态方程 91

4.4 气体的参考状态 92

4.4.1 滞止状态 92

4.4.2 极限状态 93

4.4.3 临界状态 93

4.4.4 速度系数 95

4.5 变截面等熵管流的流动特征 97

4.5.1 气体一维定常等熵流动应用方程 98

4.5.2 气流速度与通道截面间的关系 98

4.5.3 变截面等熵管流的应用 99

4.6 正激波 101

4.6.1 正激波的形成 102

4.6.2 正激波基本关系式 103

4.7 收缩喷管中的流动 105

4.7.1 喷管出口截面的流速和流量 105

4.7.2 变工况流动分析 106

4.8 缩放管中的流动 109

4.8.1 流量和面积比公式 109

4.8.2 变工况流动分析 111

本章小结 116

思考题与习题 119

5 相似理论及量纲分析 121

5.1 相似基本概念 121

5.1.1 几何相似 121

5.1.2 运动相似 121

5.1.3 动力相似 122

5.2 流动过程的相似特征数 123

5.2.1 相似特征数的导出 123

5.2.2 相似特征数的意义与性质 124

5.3 相似三定理 125

5.3.1 相似第一定理 125

5.3.2 相似第二定理 129

5.3.3 相似第三定理 130

5.4 量纲分析法 132

5.4.1 量纲 133

5.4.2 量纲表达式 133

5.4.3 量纲和谐原理 134

5.4.4 量纲（因次）分析法 134

5.5 模型实验与自模化性 138

5.5.1 近似模型法 138

5.5.2 流体的自模化 138

本章小结 139

思考题与习题 141

Ⅱ 热量传输 143

6 热量传输总论 143

6.1 热量传输基本方式概论 143

6.2 热量传输的基本概念 144

6.2.1 温度场 144

6.2.2 等温面和等温线 145

6.2.3 温度梯度 145

6.2.4 热流量与热流密度 145

6.3 导热 146

6.3.1 导热基本定律——傅里叶定律 146

6.3.2 导热系数 146

6.4 对流 150

6.5 热辐射 150

6.6 传热热阻 151

6.7 热量传输微分方程 152

6.7.1 热量传输微分方程的推导 152

6.7.2 热量传输微分方程的形式 154

6.7.3 导温系数（热扩散率）的物理意义 155

6.7.4 圆柱坐标系下的导热微分方程形式 155

6.7.5 单值性条件 156

6.7.6 傅里叶导热定律和导热微分方程式的比较 158

本章小结 158

思考题与习题 159

7 导热 161

7.1 通过平壁的一维稳态导热 161

7.1.1 第Ⅰ类边界条件：表面温度为常数 161

7.1.2 第Ⅲ类边界条件：周围介质温度为常数 164

7.2 通过圆筒壁的一维稳态导热 167

7.2.1 第Ⅰ类边界条件：表面温度为常数 167

7.2.2 第Ⅲ类边界条件：周围介质温度为常数 170

7.2.3 临界绝热层直径 172

7.3 非稳态导热过程的基本概念 174

7.3.1 非稳态导热过程的类型及特点 174

7.3.2 第Ⅲ类边界条件下Bi数对平板中温度分布的影响 175

7.4 薄材的非稳态导热 175

7.4.1 薄材基本概念 175

7.4.2 集总热容系统的非稳态导热（薄材分析法） 176

7.5 半无限大物体的一维非稳态导热 180

本章小结 183

思考题与习题 185

8 对流换热 188

8.1 对流换热一般分析 188

8.2 边界层理论及平板层流边界层换热特征数关联式 189

8.2.1 边界层的基本概念 190

8.2.2 层流边界层换热微分方程组 191

8.2.3 平板层流边界层微分方程组布拉修斯解 194

8.2.4 边界层动量积分方程组 196

8.2.5 边界层动量积分方程组：冯·卡门近似解 198

8.2.6 平板混合边界层的计算 202

8.2.7 平板层流换热的特征数关联式 203

8.3 纵掠平板及管内湍流换热特征数关联式：动量与热量比拟法 205

8.3.1 湍流动量传输和热量传输 205

8.3.2 雷诺类比和珂尔伯恩类比 206

8.4 相似原理指导下的实验方法 210

8.4.1 相似概念及基本内容 210

8.4.2 导出相似特征数的两种方法 211

8.4.3 管内强制对流换热特征数方程的应用 213

8.5 自然对流换热及其关联式 218

8.5.1 概述 218

8.5.2 大空间自然对流换热关联式 219

本章小结 221

思考题与习题 222

9 辐射换热 224

9.1 热辐射的基本概念 224

9.1.1 热辐射的本质和特点 224

9.1.2 辐射能的吸收、反射和透射 225

9.2 黑体辐射的基本定律 226

9.2.1 黑体模型 226

9.2.2 四个基本概念 226

9.2.3 黑体辐射的四个基本规律 228

9.3 实际物体的辐射 230

9.3.1 实际物体的辐射特性 230

9.3.2 实际物体的吸收特性 232

9.3.3 灰体 234

9.4 角系数 235

9.4.1 角系数的定义 235

9.4.2 辐射角系数的性质 236

9.4.3 角系数的确定方法 237

9.5 物体间辐射换热的计算 240

9.5.1 两黑体表面间的辐射换热 240

9.5.2 灰体表面的辐射热流 241

9.5.3 两灰体表面间的辐射换热 242

9.6 辐射换热的网络解法 245

9.6.1 三个灰体表面（等温）组成的封闭系统 245

9.6.2 具有重辐射面的封闭腔的辐射换热 246

9.6.3 两表面间有隔热屏时的辐射换热网络 247

9.7 气体辐射 252

9.7.1 气体辐射的特点 252

9.7.2 气体的吸收定律 252

9.7.3 气体的黑度和吸收率 253

9.8 气体与围壁表面间的辐射换热 257

9.9 辐射给热系数 258

本章小结 258

思考题与习题 260

Ⅲ 质量传输与反应工程学 263

10 质量传输 263

10.1 两种质量传输方式 263

10.1.1 分子扩散传质 263

10.1.2 对流流动传质 264

10.1.3 质量传输中的常用浓度单位 264

10.2 质量传输平衡方程式 264

10.3 分子扩散传质 265

10.3.1 分子扩散传质方程 266

10.3.2 气体通过间壁的扩散 266

10.3.3 分子扩散传质系数 267

10.3.4 静止介质中不稳态扩散传质 268

10.4 对流流动传质 269

10.4.1 对流流动传质模型 270

10.4.2 平板层流流动质量传输特征数关联式 271

10.4.3 平板湍流流动质量传输特征数关联式 272

10.4.4 相似原理指导下对流流动传质特征数方程 273

10.5 动量、热量和质量传输的类比 275

10.5.1 动量传输与热量传输的类似定律 275

10.5.2 动量传输与质量传输的类似定律 277

10.5.3 动量传输、热量传输和质量传输三者的类似 278

本章小结 280

思考题与习题 281

11 冶金反应工程学 283

11.1 冶金宏观动力学 283

11.1.1 气体-固体间反应 283

11.1.2 气体-液体间反应 284

11.1.3 液体-液体间反应 287

11.1.4 液体-固体间反应 287

11.1.5 固体-固体间反应 287

11.2 冶金反应器 288

11.2.1 理想反应器 288

11.2.2 非理想反应器 289

11.2.3 搅拌和反应器内液体的混合 293

11.3 典型冶金反应器 293

11.3.1 冶金气-液反应器 293

11.3.2 冶金液-液反应器 294

本章小结 294

工程实例导读 296

附录 297

参考文献 306