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第一篇 动量传输3

1 传输原理中流体的基本概念3

1.1 流体及连续介质模型3

1.2 流体的密度和重度5

1.3 流体的压缩性6

1.4 流体的黏性7

1.5 牛顿流体和理想流体8

1.6 黏性动量流密度（通量）10

1.7 作用在流体上的质量力和表面力10

1.7.1 质量力11

1.7.2 表面力11

1.8 系统及控制体12

1.9 单位与量纲12

1.10 小结13

思考题13

习题14

2 控制体法（积分方程）15

2.1 质量守恒积分式15

2.2 质量守恒积分式的应用16

2.3 动量守恒积分式17

2.4 动量守恒积分式的应用17

2.5 能量守恒积分式18

2.6 能量积分式的应用19

2.7 小结21

思考题21

习题21

3 流体静力学22

3.1 流体静力学平衡微分方程23

3.2 流体静力学基本方程24

3.3 流体压强的度量基准25

3.4 流体静力学基本方程的应用26

3.5 小结27

思考题28

习题28

4 描述流体运动的方法30

4.1 雷诺试验和卡门涡街30

4.1.1 雷诺试验30

4.1.2 卡门涡街32

4.2 描述流体运动的两种方法32

4.2.1 拉格朗日法32

4.2.2 欧拉法33

4.2.3 两种方法的应用33

4.3 质点导数34

4.4 拉格朗日法和欧拉法的转换36

4.4.1 拉格朗日法转换到欧拉法36

4.4.2 欧拉法转换到拉格朗日法37

4.5 流体运动的基本概念38

4.5.1 定常流动和非定常流动38

4.5.2 均匀流动和非均匀流动38

4.5.3 平面流和轴对称流38

4.5.4 迹线38

4.5.5 流线39

4.5.6 流管40

4.5.7 流束40

4.5.8 流量（体积流率）41

4.6 小结41

思考题42

习题42

5 动量传输的微分方程43

5.1 连续性微分方程43

5.2 理想流体运动方程（欧拉方程）45

5.3 伯努利方程（理想流体定常流动沿流线的积分）47

5.4 伯努利方程的应用49

5.4.1 文丘里管50

5.4.2 皮托管50

5.4.3 烟囱52

5.5 实际流体运动方程——纳维-斯托克斯方程54

5.6 小结58

思考题58

习题59

6 管道中的流动61

6.1 圆管中的层流流动61

6.1.1 速度分布61

6.1.2 流量（体积流率）与平均流速62

6.1.3 阻力及阻力系数63

6.2 湍流流动64

6.2.1 临界雷诺数64

6.2.2 充分发展流64

6.2.3 湍流的描述65

6.2.4 几种典型的湍流66

6.2.5 湍流的切应力（雷诺应力）66

6.3 普朗特混合长度理论67

6.4 圆管内湍流速度分布69

6.5 圆管中的摩擦阻力系数71

6.5.1 水力光滑和水力粗糙71

6.5.2 摩擦阻力系数72

6.5.3 非圆形截面的管道摩擦损失的计算75

6.6 气体通过固体散料层的公式75

6.6.1 卡门公式75

6.6.2 欧根公式77

6.7 管路计算78

6.7.1 能量方程78

6.7.2 流动能量损失78

6.7.3 管路损失计算79

6.8 小结81

思考题81

习题82

7 边界层理论84

7.1 边界层的基本概念85

7.1.1 边界层理论85

7.1.2 边界层的厚度85

7.1.3 边界层的状态和特点86

7.2 边界层微分方程87

7.2.1 微分方程的简化87

7.2.2 平板层流边界层的布拉修斯解89

7.2.3 布拉修斯解的作用90

7.3 冯·卡门动量积分方程91

7.3.1 冯·卡门积分方程的导出92

7.3.2 冯·卡门积分方程的应用94

7.4 平板湍流的边界层95

7.5 影响层流向湍流过渡的因素97

7.6 小结97

思考题98

习题98

8 可压缩气体的流动和射流简介99

8.1 可压缩气体的相关概念99

8.1.1 压缩性与声速99

8.1.2 马赫数101

8.1.3 可压缩气体与不可压缩气体的差别102

8.2 可压缩气体一元稳定等熵流动的基本方程102

8.3 一元稳定等熵气流的基本特性105

8.3.1 滞止状态105

8.3.2 临界状态106

8.3.3 极限状态106

8.4 气流参数与流通截面的关系107

8.5 喷管的计算和分析108

8.5.1 收缩喷管108

8.5.2 拉瓦尔喷管110

8.6 射流和气液两相流动112

8.6.1 自由射流112

8.6.2 气体流过液体表面的流动113

8.6.3 气体喷入液体中的流动113

8.6.4 气体垂直喷入液体中的流动114

8.6.5 气体垂直喷向液体表面的流动115

8.7 小结116

思考题116

习题117

9 相似原理与模型研究方法118

9.1 相似的概念118

9.1.1 相似性质和相似条件118

9.1.2 流动的力学相似119

9.2 相似原理119

9.2.1 特征数的导出120

9.2.2 特征数的物理意义122

9.2.3 特征数的转换122

9.3 量纲分析123

9.3.1 量纲的基本概念123

9.3.2 量纲和谐原理124

9.3.3 π定理或白金汉定理124

9.3.4 π定理的应用124

9.4 模型研究方法128

9.4.1 近似模化法128

9.4.2 黏性流体的稳定性和自模化性128

9.4.3 模型实验的数据处理129

9.5 小结129

思考题129

习题130

第二篇 热量传输133

10 热量传输的基本方式133

10.1 导热134

10.2 热对流和对流换热137

10.3 热辐射138

10.4 组合传热139

10.5 小结140

思考题140

习题141

11 导热微分方程142

11.1 导热微分方程142

11.2 导温系数（热扩散系数）144

11.3 柱坐标系和球坐标系的导热微分方程144

11.4 定解条件145

11.5 小结147

思考题147

习题148

12 一维稳态和非稳态导热149

12.1 通过平壁的一维稳态导热149

12.1.1 第一类边界条件：表面温度为常数150

12.1.2 第三类边界条件：周围介质温度为常数153

12.2 通过圆筒壁的一维稳态导热154

12.2.1 第一类边界条件：表面温度为常数154

12.2.2 第三类边界条件：周围介质温度为常数157

12.2.3 临界绝热层直径159

12.3 非稳态导热的基本概念160

12.3.1 非稳态导热的基本概念160

12.3.2 平壁内非稳态温度场的主要特点161

12.3.3 周期性的非稳态导热161

12.3.4 非稳态导热的特点161

12.4 薄材的非稳态导热162

12.4.1 薄材的概念162

12.4.2 薄材的非稳态导热——集总参数法164

12.5 半无限大物体的一维非稳态导热165

12.6 有限厚物体的一维非稳态导热168

12.6.1 第一类边界条件：表面温度为常数168

12.6.2 第三类边界条件：周围介质温度为常数169

12.7 其他形状物体的非稳态导热173

12.7.1 无限长圆柱体和球体173

12.7.2 无限长直角柱体、有限长圆柱体和六面体173

12.8 导热问题的数值解法简介175

12.8.1 有限元法176

12.8.2 有限差分法176

12.8.3 需要注意的一些问题178

12.9 小结178

思考题178

习题179

13 对流换热的基本方程和分析解181

13.1 对流换热概述181

13.2 对流换热微分方程组182

13.2.1 换热微分方程182

13.2.2 对流换热微分方程182

13.2.3 连续性方程185

13.2.4 运动（动量传输）方程185

13.3 对流换热边界层微分方程组185

13.3.1 温度（热）边界层185

13.3.2 边界层对流换热微分方程组186

13.4 对流换热边界层微分方程组的分析解187

13.4.1 平板层流换热的分析解187

13.4.2 液体金属流过平板时的对流换热189

13.5 对流换热边界层积分方程近似解189

13.6 小结192

思考题192

习题193

14 对流换热的特征数及其关联式194

14.1 对流换热的特征数和量纲分析194

14.1.1 对流传热中的重要特征数194

14.1.2 对流换热量纲分析195

14.2 强制对流换热及其关联式197

14.2.1 管内强制对流换热197

14.2.2 外部流动的强制对流换热200

14.3 自然对流换热及其关联式202

14.3.1 大空间自然对流换热关联式203

14.3.2 有限空间自然对流换热205

14.4 小结207

思考题207

习题208

15 热辐射的基本定律209

15.1 热辐射的基本概念209

15.1.1 热辐射的本质和特点209

15.1.2 辐射力和辐射强度210

15.2 热辐射的基本定律212

15.2.1 黑体的概念212

15.2.2 普朗克定律213

15.2.3 斯忒藩-玻耳兹曼定律214

15.2.4 兰贝特定律216

15.3 实际物体的热辐射特性217

15.3.1 辐射能的吸收、反射和透射217

15.3.2 实际物体的辐射218

15.3.3 发射率（辐射率或黑度）218

15.3.4 基尔霍夫定律222

15.3.5 灰体223

15.4 小结223

思考题224

习题224

16 辐射换热计算225

16.1 黑体表面间的辐射换热225

16.1.1 角系数的定义226

16.1.2 角系数的性质226

16.1.3 角系数的确定方法227

16.1.4 两个非凹黑表面的辐射换热和辐射空间热阻231

16.1.5 封闭的辐射换热232

16.2 灰体表面间的辐射换热233

16.2.1 有效辐射233

16.2.2 辐射表面热阻233

16.2.3 两非凹灰体表面间的辐射换热234

16.3 辐射换热的网络方法236

16.3.1 基本网络单元236

16.3.2 两个面之间辐射换热网络236

16.3.3 三个表面间的辐射换热网络237

16.3.4 两表面间有隔热屏时的辐射换热网络238

16.4 气体辐射240

16.4.1 气体辐射的特点240

16.4.2 气体的吸收定律240

16.4.3 气体的发射率和吸收率241

16.4.4 火焰辐射的概念246

16.5 气体与围壁表面间的辐射换热246

16.6 小结247

思考题248

习题248

第三篇 质量传输253

17 质量传输的基本概念253

17.1 分子扩散253

17.2 分子扩散系数254

17.2.1 气体的分子扩散系数255

17.2.2 液体的分子扩散系数256

17.2.3 固体的分子（原子）扩散系数257

17.3 质对流和对流传质259

17.4 质量传输中的浓度260

17.4.1 常用浓度单位260

17.4.2 稳态传质与非稳态传质261

17.5 传质流密度261

17.6 小结264

思考题265

习题265

18 分子扩散的微分方程266

18.1 分子扩散微分方程式266

18.2 分子扩散微分方程的定解条件268

18.3 模拟分子扩散过程的步骤270

18.4 小结272

思考题273

习题273

19 分子扩散274

19.1 一维稳态无化学反应的分子扩散274

19.1.1 固体中的分子扩散274

19.1.2 气体中的分子扩散276

19.2 一维稳态有化学反应的分子扩散279

19.2.1 一级化学反应的变面积分子扩散279

19.2.2 一级化学反应的恒定面积分子扩散283

19.3 静止介质中非稳态分子扩散284

19.3.1 半无限大物体，表面浓度为常数285

19.3.2 半无限大物体，表面扩散物质的质量为常数288

19.3.3 有限厚度，介质中扩散组分的浓度为常数291

19.3.4 有限厚度，表面浓度为常数291

19.4 小结292

思考题293

习题293

20 对流传质294

20.1 对流传质基本概念294

20.2 对流传质微分方程组296

20.2.1 传质微分方程296

20.2.2 对流传质微分方程296

20.3 对流传质中的重要特征数299

20.4 层流浓度边界层的精确解301

20.5 浓度边界层的近似解305

20.6 有效边界层307

20.7 小结308

思考题308

习题309

21 对流传质的特征数及其关联式310

21.1 对流传质的量纲分析310

21.1.1 强制对流传质310

21.1.2 自然对流传质311

21.1.3 对流传质关联式中的特征数312

21.2 流过平板、球体和圆柱体的传质313

21.2.1 流体平行流过平板时的传质313

21.2.2 流体流过球体时的传质314

21.2.3 流体垂直流过单个圆柱时的传质316

21.3 管道内的湍流传质317

21.4 流体流过填充床和流化床的传质318

21.5 湿壁塔内的传质319

21.6 对流传质过程的模拟步骤319

21.7 小结320

思考题320

习题320

22 相际传质321

22.1 相际平衡与平衡浓度321

22.2 相际对流传质基本模型322

22.2.1 边界层内的传质模型Ⅰ——薄膜理论（有效边界层）322

22.2.2 边界层内的传质模型Ⅱ——渗透理论323

22.2.3 边界层内的传质模型Ⅲ——表面更新模型324

22.3 双膜理论与相际稳态综合传质325

22.3.1 气液两相界面的传质325

22.3.2 渣金两相界面的传质328

22.4 具有化学反应的相际稳态综合传质330

22.4.1 铁矿石的还原330

22.4.2 碳粒的燃烧332

22.5 具有传热过程的相际稳态综合传质334

22.6 小结336

思考题336

习题337

第四篇 传输现象的类比和耦合341

23 传输现象的类比特性341

23.1 动量、热量和质量传输基本概念和参数类比341

23.1.1 传输基本概念的类比341

23.1.2 物性和流动传输参数的类比341

23.2 动量、热量和质量传输的类比342

23.2.1 动量传输与热量传输的类比342

23.2.2 动量传输与质量传输的类比343

23.3 类比的特征数344

23.4 雷诺类比和柯尔伯恩类比345

23.4.1 雷诺类比345

23.4.2 柯尔伯恩类比348

23.5 动量、热量和质量边界层的类比350

23.6 冶金传输原理课程体系与结构的初步探讨352

23.7 小结353

思考题353

习题354

24 传输现象的耦合特性355

24.1 线性流密度和耦合效应355

24.2 不可逆过程热力学的基本概念357

24.2.1 不可逆过程357

24.2.2 基本原理和熵增速率358

24.3 近平衡体系的线性不可逆过程热力学359

24.4 昂色格倒易关系361

24.5 小结363

思考题363

附录364

附录1 大气压下干空气的物理性质364

附录2 大气压下水的物理性质365

附录3 几种常见气体的物理性质365

附录4 对流换热微分方程组各方程式在圆柱坐标系中的表达形式365

附录5 气体动力函数表367

附录6 在大气压下气体的物理参数368

附录7 饱和水的热物理性质371

附录8 气体中的二元扩散系数372

附录9 液体中的二元扩散系数373

附录10 液—液质量传输试验中的相关数据选择373

附录11 一些气—液反应的试验性相关数据374

中英文人名对照表376

名词术语索引378

习题参考答案381

参考文献385