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第1篇 动量传输1

1　动量传输的基本概念1

1.1　流体的概念及连续介质模型1

1.1.1 流体的概念1

1.1.2　连续介质模型2

1.2　流体的密度、重度及比体积2

1.3　流体的压缩性及膨胀性3

1.3.1 液体的压缩性及膨胀性3

1.3.2 气体的压缩性及膨胀性3

1.3.3 可压缩流体和不可压缩流体5

1.4　流体的黏性5

1.4.1 流体的黏性及黏性力5

1.4.2　牛顿黏性定律6

1.4.3 黏度7

1.4.4 黏性动量传输及黏性动量通量8

1.4.5 实际流体和理想流体模型9

1.5　流体上的作用力、能量及动量9

1.5.1 流体上的作用力9

1.5.2 作用力、能量及动量之间的关系10

小结11

习题与思考题11

2　动量传输的基本定律13

2.1　流体流动的基本特性13

2.1.1 流体流动的分类13

2.1.2　流体流动的研究方法13

2.2　流体的质量平衡方程——连续性方程17

2.2.1 直角坐标系中的连续性方程17

2.2.2 管流连续性方程19

2.3 黏性流体的动量平衡方程——纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程20

2.3.1 动量平衡的定义20

2.3.2 N-S方程的推导20

2.3.3 N-S方程的讨论23

2.4　理想流体的动量平衡方程——欧拉（Eular）方程24

2.5　流体机械能平衡方程——伯努利（Bernoulli）方程25

2.5.1 伯努利方程的微分式25

2.5.2　伯努利方程的积分式26

2.5.3 伯努利方程在管流中的应用27

2.6　流体静压力平衡方程34

2.6.1 静止流体的压力分布方程34

2.6.2　流体的静压力35

小结37

习题与思考题38

3　管流流动41

3.1　流体流动状态41

3.2　圆管层流流动42

3.2.1 微分方程的建立42

3.2.2　截面速度分布43

3.2.3　截面平均速度43

3.3　圆管紊流流动44

3.4　管流阻力44

3.4.1 圆管层流摩阻45

3.4.2 圆管紊流摩阻45

3.4.3 非圆形管道的摩阻47

3.4.4 管流局部阻力损失48

3.4.5 管流系统阻力损失50

小结52

习题与思考题52

4　边界层流动54

4.1　边界层概念54

4.1.1　平板边界层54

4.1.2　管流边界层55

4.2　边界层微分方程56

4.2.1 边界层微分方程的建立56

4.2.2　边界层微分方程的解57

4.3　边界层积分方程57

4.3.1 边界层积分方程的建立57

4.3.2　层流边界层积分方程的解58

4.3.3 紊流边界层积分方程的解59

4.4　流体绕流摩阻60

4.4.1　平板层流绕流摩阻60

4.4.2　平板紊流绕流摩阻61

4.4.3 平板混合边界层绕流摩阻62

4.4.4　球体绕流摩阻63

小结63

习题与思考题63

5　流体的流出65

5.1 不可压缩流体自孔口的流出65

5.1.1 流体经薄壁孔口的流出65

5.1.2　流体经管嘴的流出66

5.2　液体自容器底部孔口的流出68

5.2.1 液面高度不变时的流出速度68

5.2.2 定量液体的流空时间68

5.3　可压缩流体自孔口的流出69

5.3.1 声速和马赫数69

5.3.2　流速基本公式70

5.3.3 可压缩气体流出的临界值71

5.3.4　超声速流动及拉瓦尔管73

5.3.5 可压缩气体流出的综合分析74

5.3.6 可压缩气体流出的计算74

小结77

习题与思考题78

6　射流79

6.1 自由射流79

6.1.1 自由射流的基本特性79

6.1.2 自由射流的动量守恒80

6.1.3 自由射流的速度分布80

6.2　半限制射流82

6.2.1 贴壁射流82

6.2.2 冲击射流82

6.2.3 附壁效应（柯安达效应）83

6.3 限制射流84

6.3.1 限制射流的基本特点84

6.3.2 限制空间内的流体循环84

6.3.3 限制空间内的旋涡区85

6.4　旋转射流85

6.4.1 旋转射流的特性85

6.4.2　旋流强度87

小结89

习题与思考题90

7　冶金与材料制备及加工中的动量传输91

7.1　气液两相流动91

7.1.1 气体流过液体表面的流动91

7.1.2　气体喷入液体中的流动91

7.1.3 气体垂直喷向液体表面的流动93

7.2　气固两相流动94

7.2.1 固定料层流动94

7.2.2　气动输送过程99

7.3　热气体的流动102

7.3.1 热气体的压头102

7.3.2 热气体静力平衡方程104

7.3.3　热气体管流伯努利方程104

7.3.4　热气体管流阻力损失计算105

7.3.5 热气体管流伯努利方程的应用106

小结107

习题与思考题108

8　相似原理与量纲分析109

8.1　相似的概念109

8.1.1 几何相似109

8.1.2 物理相似109

8.1.3 单值条件相似110

8.1.4　相似特征数110

8.2　相似三定理112

8.2.1 相似第一定理112

8.2.2　相似第二定理112

8.2.3　相似第三定理112

8.3　相似转换及特征数方程113

8.3.1 相似转换113

8.3.2　确定特征数方程114

8.3.3 由特征数方程确定经验公式115

8.4　量纲分析及π定理116

8.4.1 量纲及量纲和谐原理116

8.4.2 量纲分析法确定相似特征数116

8.4.3 π定理117

8.5　模型实验法118

8.5.1 模型实验的相似条件118

8.5.2　近似模型法118

8.5.3　模型设计119

8.5.4　模型比例方程120

8.5.5　模型实验方法120

小结121

习题与思考题122

第2篇 热量传输123

9　热量传输的基本概念及基本定律123

9.1　热量传输的基本概念123

9.1.1 热量传输的基本方式123

9.1.2 温度场125

9.1.3 等温面及等温线125

9.1.4 温度梯度126

9.1.5 热通量、热流量和总热量126

9.1.6　热阻的概念126

9.2　热量传输的基本定律127

9.2.1 傅里叶导热定律127

9.2.2　傅里叶-克希荷夫导热微分方程129

小结133

习题与思考题133

10　传导传热134

10.1　稳定导热134

10.1.1 一维平壁稳定导热134

10.1.2 一维圆筒壁稳定导热141

10.2　不稳定导热148

10.2.1 不稳定导热的基本概念148

10.2.2 第三类边界条件下的薄材加热（集总参数法）152

10.2.3 第三类边界条件下有限厚物体的不稳定导热154

10.2.4 第一类边界条件下有限厚物体的不稳定导热158

10.2.5 半无限大物体在第一类边界条件下的不稳定导热160

10.3　导热的有限差分解法162

10.3.1 有限差分法的基本概念162

10.3.2 二维稳定导热的差分解法164

10.3.3 一维不稳定导热的差分解法167

小结171

习题与思考题171

11　对流换热174

11.1　对流换热的一般分析174

11.1.1 对流换热简介174

11.1.2 对流换热的分类174

11.1.3 对流换热系数175

11.1.4 影响对流换热系数的因素175

11.1.5 对流换热的研究方法176

11.1.6　热边界层概念176

11.1.7 对流换热系数表达式177

11.2　流体流过平板时的对流换热178

11.2.1 边界层对流换热微分方程组178

11.2.2　平板层流换热微分方程组的解析解178

11.2.3 平板层流换热的近似积分解179

11.2.4 流体沿平板紊流流动时的对流换热180

11.3　流体管内流动对流换热182

11.3.1 管内流动时的热边界层182

11.3.2 管内层流时的对流换热182

11.3.3 管内紊流时的对流换热183

11.4　流体绕流对流换热188

11.4.1 流体横向掠过圆管时的对流换热188

11.4.2 流体流过球体时的对流换热190

11.5 自然对流换热191

11.5.1 自然对流换热的特点191

11.5.2 大空间自然对流换热的特征数方程192

小结194

习题与思考题194

12　辐射换热196

12.1　热辐射的基本概念196

12.1.1 热辐射的本质和特点196

12.1.2 辐射能的吸收、反射和透过197

12.1.3 辐射力和辐射强度198

12.2　黑体辐射的基本定律199

12.2.1 人工黑体模型199

12.2.2 普朗克（Planck）定律200

12.2.3 斯忒藩-玻耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律201

12.2.4 朗伯定律（余弦定律）201

12.3　实际物体的辐射202

12.3.1 实际物体的辐射特性202

12.3.2 实际物体吸收辐射的特性205

12.3.3　基尔霍夫定律205

12.4　角系数206

12.4.1 角系数的定义206

12.4.2　角系数的性质207

12.4.3 角系数的确定方法208

12.5　固体表面间的辐射换热212

12.5.1 两个黑体表面间的辐射换热212

12.5.2 两个灰体表面间的辐射换热213

12.5.3 三个灰体表面间的辐射换热217

12.5.4 有遮热板时的辐射换热221

12.6　气体与固体表面间的辐射换热223

12.6.1 气体辐射的特点223

12.6.2 气体吸收定律（比尔定律）225

12.6.3 气体的黑度和吸收率225

12.6.4 气体与围壁表面间的辐射换热230

12.7　对流与辐射共同存在时的热量传输231

小结231

习题与思考题232

13　冶金与材料制备及加工中的热量传输234

13.1　散料层内热交换234

13.1.1 固定料层内热交换234

13.1.2　流化料层内热交换238

13.2　换热器热交换240

13.2.1 换热器的种类和流体流动方式240

13.2.2　换热器的工作原理240

13.2.3 换热器的平均温差241

13.2.4　换热器的热工计算243

13.3　蓄热室热交换247

13.3.1 蓄热室的工作原理247

13.3.2　蓄热室内传热系数249

13.4　凝固过程传热252

13.4.1 连铸凝固传热微分方程252

13.4.2　连铸凝固传热的数值解法253

13.5　热处理过程传热254

13.5.1 物性参数的确定254

13.5.2　表面传热系数的确定255

13.6　焊接过程传热256

13.6.1 瞬时集中点状热源作用下的温度场256

13.6.2 瞬时集中线状热源作用下的温度场256

13.6.3 表面散热对温度场的影响257

小结257

习题与思考题258

第3篇　质量传输259

14　质量传输基本概念及基本定律259

14.1　质量传输基本概念259

14.1.1 浓度及其表示方法259

14.1.2　浓度场及浓度梯度261

14.2　质量传输基本定律261

14.2.1 菲克（Fick）第一定律261

14.2.2　菲克（Fick）第二定律264

小结265

习题与思考题266

15　扩散传质267

15.1　稳定扩散传质267

15.1.1 气体通过平板的扩散267

15.1.2 气体通过圆筒壁的扩散268

15.2　不稳定扩散传质269

15.2.1 传质微分方程及其边界条件269

15.2.2 表面浓度为常数时，有限厚物体的不稳定扩散传质270

15.2.3　介质浓度为常数时，有限厚物体的不稳定扩散传质271

15.2.4 表面浓度为常数时，无限厚物体的不稳定扩散传质271

小结272

习题与思考题272

16　对流传质273

16.1　对流传质基本概念273

16.1.1 浓度边界层273

16.1.2　对流传质系数274

16.1.3 对流传质特征数274

16.2　对流传质特征数方程275

16.2.1 平板层流对流传质275

16.2.2　平板紊流对流传质276

16.2.3　球体绕流对流传质277

16.2.4　管内紊流对流传质277

16.3　对流传质系数模型277

16.3.1 薄膜理论278

16.3.2　渗透理论278

16.3.3　表面更新理论278

小结278

习题与思考题279

17　冶金与材料制备及加工中的质量传输280

17.1　相间平衡与平衡浓度280

17.2　双膜理论及相间传质280

17.3　两相反应中的扩散282

17.3.1 气固两相反应中的扩散282

17.3.2 气液两相反应中的扩散283

17.4　多孔材料中的扩散285

17.4.1 分子扩散286

17.4.2　克努森（Knudsen）扩散286

17.4.3　表面扩散286

小结287

习题与思考题288

18　动量、热量、质量传输的类比289

18.1　三种传输概念的类比289

18.2　三种物性传输的类比289

18.3　三种对流传输的类比290

18.3.1 雷诺（Reynolds）类比290

18.3.2　柯尔伯恩（Colburn）类比291

小结292

习题与思考题292

部分习题参考答案293

附录295

附录1　大气压下干空气的物理性质295

附录2　大气压下水的物理性质296

附录3　几种常见气体的物理性质（20℃）296

附录4　几种常见气体的μ0、C及M值296

附录5　大气压下烟气的物理性质297

附录6　各种材料的密度、导热系数、比热容297

附录7　一些金属材料的导热系数299

附录8　几种耐火材料、隔热材料的性质300

附录9　各种材料的黑度301

附录10　高斯误差函数值303

附录11　一些气体在空气中的扩散系数304

附录12　一般溶液的相互扩散系数DAB（25℃）304

附录13　固体中的扩散系数DAB304

参考文献305