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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

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