化工傳遞過(guò)程導(dǎo)論

前言

　　化工生產(chǎn)過(guò)程千變?nèi)f化，但本質(zhì)上涉及的基本物理現(xiàn)象是有限的。掌握動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞三種傳遞現(xiàn)象的物理規(guī)律是理解眾多的新老化工操作單元的基礎(chǔ)。古人云“格物致知”，以此強(qiáng)調(diào)基本原理對(duì)于認(rèn)識(shí)世界的重要性，當(dāng)代美國(guó)更通過(guò)重視基礎(chǔ)研究最終奠定了在技術(shù)創(chuàng)新上的領(lǐng)先地位。當(dāng)前，許多學(xué)生更加注重知識(shí)的實(shí)用性，但快餐不能造就健康，過(guò)分強(qiáng)調(diào)知識(shí)的功利色彩終將導(dǎo)致“知識(shí)無(wú)用”。讀者應(yīng)意識(shí)到：教育過(guò)程作為“特殊的生活過(guò)程”，乃是受教育引導(dǎo)的個(gè)人生活逐漸展開(kāi)的過(guò)程，知識(shí)賦予一個(gè)人的內(nèi)涵絕非一蹴而就。傳遞課程的內(nèi)容似乎遠(yuǎn)離化工生產(chǎn)實(shí)際，卻為學(xué)習(xí)者提供了認(rèn)識(shí)各種過(guò)程的定量意識(shí)和方法?！　≡陂L(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中，筆者注意到，一些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差的學(xué)生往往被教材中連篇的數(shù)學(xué)公式嚇住，傳遞課程成為他們必須經(jīng)歷的一次痛苦之旅；還有一些學(xué)生，包括某些優(yōu)秀的學(xué)生，其學(xué)習(xí)視野完全被課程內(nèi)容相關(guān)的數(shù)學(xué)推演所遮蓋，而對(duì)相關(guān)聯(lián)的化工過(guò)程及日常生活的廣闊天地熟視無(wú)睹。傳遞課程也因此在學(xué)生中素有“老虎課程”的形象。毋庸置疑，傳遞課程需要數(shù)學(xué)語(yǔ)言，不斷涌現(xiàn)的傳遞教材也大都很注重基本理論描述的數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。筆者也認(rèn)同：培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)思想和意識(shí)，理解掌握化工過(guò)程的量化方法，是本課程學(xué)習(xí)的主要目的之一。同時(shí)，數(shù)學(xué)于本課程的作用，更應(yīng)該是理解傳遞現(xiàn)象之物理本質(zhì)的工具，學(xué)習(xí)中更應(yīng)強(qiáng)調(diào)物理概念、方程的物理解釋以及所得結(jié)果在物理上的合理性。　　教學(xué)中固然要引導(dǎo)學(xué)生理解、重視數(shù)學(xué)模型的理論意義，但如何通過(guò)有限的學(xué)時(shí)，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到傳遞課程中抽象數(shù)學(xué)模型的實(shí)用性和方法論意義，在數(shù)學(xué)模型的學(xué)習(xí)中自覺(jué)地把握千差萬(wàn)別化工過(guò)程的一些共性規(guī)律呢？基于這方面的理解和思考，筆者與北京化工大學(xué)劉輝教授共同編寫(xiě)了本書(shū)，旨在闡釋動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞過(guò)程的基本規(guī)律和一些重要的量化方法。內(nèi)容上，在不影響讀者理解的前提下力求簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)處理，更強(qiáng)調(diào)對(duì)傳遞過(guò)程物理意義的理解和過(guò)程量化方法的學(xué)習(xí)領(lǐng)會(huì)。在形式上，筆者通過(guò)“學(xué)習(xí)提示”闡釋對(duì)學(xué)科內(nèi)容的一些體會(huì)，也希望給讀者一些啟發(fā)，并對(duì)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)歸納；各章節(jié)提供“拓展文獻(xiàn)”幫助有心的讀者開(kāi)闊視野，以更好地理解課程內(nèi)容及其與化工過(guò)程的聯(lián)系。在篇章結(jié)構(gòu)上，逐一講解動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞，以方便學(xué)生對(duì)傳遞過(guò)程物理意義的理解。

內(nèi)容概要

　　《化工傳遞過(guò)程導(dǎo)論》是化工傳遞過(guò)程方面的基礎(chǔ)教材，內(nèi)容上重視傳遞過(guò)程物理原理的解釋及化工過(guò)程量化方法的闡述。第1章旨在幫助讀者迅速理解課程的內(nèi)容和意義；第11章總結(jié)了傳遞模型化方法并通過(guò)實(shí)例讓讀者領(lǐng)略其魅力；主體內(nèi)容第2-10章依次介紹了動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞，每種傳遞過(guò)程均為3章篇幅并相互對(duì)應(yīng)，其中，第2、5、8章分別介紹各種傳遞過(guò)程的機(jī)理和模型，第3、6、9章講解各種分子傳遞過(guò)程的求解分析，第4、7、10章則介紹對(duì)流傳遞現(xiàn)象的規(guī)律和量化方法。各章均附有例題、思考題和習(xí)題，并通過(guò)“學(xué)習(xí)提示”和“拓展文獻(xiàn)”，幫助讀者理解運(yùn)用《化工傳遞過(guò)程導(dǎo)論》內(nèi)容。《化工傳遞過(guò)程導(dǎo)論》可作為高等理工院?；瘜W(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)的本科生教材，也可作為石油化工、冶金工程、輕化工程、高分子化工、生物工程、環(huán)境工程等有關(guān)專(zhuān)業(yè)的研究人員和高校教師的參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

前言主要符號(hào)說(shuō)明第1章 緒論1.1 化工科學(xué)的發(fā)展與傳遞學(xué)科的成長(zhǎng)1.2 化工過(guò)程的平衡與速率1.3 傳遞過(guò)程速率的量化方法拓展文獻(xiàn)學(xué)習(xí)提示思考題習(xí)題第2章 流體流動(dòng)的機(jī)理與模型化2.1 流體與流動(dòng)的基本概念2.1.1 流體的連續(xù)性2.1.2 流速和流率2.1.3 定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)2.1.4 黏性流體與理想流體2.1.5 層流和湍流2.1.6 牛頓黏性定律2.1.7 動(dòng)量傳遞現(xiàn)象2.1.8 流動(dòng)阻力與阻力系數(shù)2.2 描述流動(dòng)問(wèn)題的方法2.2.1 系統(tǒng)和控制體2.2.2 拉格朗日法和歐拉法2.2.3 物理量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)2.3 微分質(zhì)量衡算與連續(xù)性方程2.3.1 連續(xù)性方程的推導(dǎo)2.3.2 連續(xù)性方程的分析2.3.3 柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系中的連續(xù)性方程2.4 流體的受力2.4.1 體積力和表面力2.4.2 表面應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系2.5 一維流動(dòng)的薄殼動(dòng)量衡算2.5.1 薄殼衡算2.5.2 通過(guò)圓管的流動(dòng)2.6 微分運(yùn)動(dòng)方程2.6.1 用應(yīng)力表示的微分運(yùn)動(dòng)方程2.6.2 運(yùn)動(dòng)方程與機(jī)械能方程2.6.3 奈維一斯托克斯方程2.6.4 奈維一斯托克斯方程的求解2.7 量綱分析與放大2.7.1 量綱與單位2.7.2 奈維一斯托克斯方程的量綱分析2.7.3 白金漢方法拓展文獻(xiàn)學(xué)習(xí)提示思考題習(xí)題第3章 微分運(yùn)動(dòng)方程的若干解析3.1 一維定態(tài)流動(dòng)3.1.1 平壁間定態(tài)層流3.1.2 平壁面上降膜流動(dòng)3.1.3 套管環(huán)隙間的軸向定態(tài)層流3.1.4 套管環(huán)隙間的周向?qū)恿?.2 非定態(tài)流動(dòng)問(wèn)題簡(jiǎn)介3.3 流函數(shù)和勢(shì)函數(shù)3.3.1 平面流、軸對(duì)稱(chēng)流動(dòng)和流函數(shù)3.3.2 流線和跡線3.3.3 理想流體和歐拉方程3.3.4 勢(shì)流和勢(shì)函數(shù)3.4 二維繞流3.4.1 繞無(wú)限長(zhǎng)圓柱體的勢(shì)流3.4.2 爬流拓展文獻(xiàn)學(xué)習(xí)提示思考題習(xí)題第4章 近壁區(qū)域的大雷諾數(shù)流動(dòng)4.1 邊界層流動(dòng)4.1.1 邊界層概念4.1.2 平板層流邊界層方程4.1.3 平板層流邊界層方程的精確解4.1.4 邊界層的分離和尾流4.2 湍流流動(dòng)4.2.1 湍流與湍流邊界層4.2.2 湍流的表征4.2.3 雷諾方程和雷諾應(yīng)力4.2.4 湍流的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?.2.5 湍流的通用速度分布4.3 圓管內(nèi)的入口段和湍流流動(dòng)4.3.1 圓管人口段流動(dòng)4.3.2 圓管湍流的速度分布4.3.3 光滑圓管湍流的范寧摩擦因數(shù)4.3.4 粗糙圓管湍流的范寧摩擦因數(shù)4.4 卡門(mén)動(dòng)量積分方程4.4.1 平板上邊界層的動(dòng)量衡算4.4.2 平板上層流邊界層的近似解4.4.3 平板上湍流邊界層的近似解拓展文獻(xiàn)學(xué)習(xí)提示思考題習(xí)題第5章 熱量傳遞及其微分方程5.1 熱量傳遞方式5.1.1 熱傳導(dǎo)5.1.2 對(duì)流傳熱5.1.3 熱輻射5.1.4 實(shí)例說(shuō)明5.2 能量方程5.2.1 能量方程的推導(dǎo)5.2.2 能量方程的特定形式5.2.3 柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系的能量方程5.2.4 能量方程的定解條件拓展文獻(xiàn)學(xué)習(xí)提示思考題習(xí)題第6章 熱傳導(dǎo)6.1 定態(tài)熱傳導(dǎo)6.1.1 無(wú)內(nèi)熱源的一維定態(tài)熱傳導(dǎo)6.1.2 有內(nèi)熱源的一維定態(tài)熱傳導(dǎo)6.1.3 肋的定態(tài)熱傳導(dǎo)6.1.4 多維定態(tài)熱傳導(dǎo)6.2 非定態(tài)熱傳導(dǎo)6.2.1 非定態(tài)熱傳導(dǎo)過(guò)程概述6.2.2 忽略?xún)?nèi)部熱阻的非定態(tài)導(dǎo)熱與集總熱容法6.2.3 內(nèi)部和表面熱阻均不可忽略的一維非定態(tài)導(dǎo)熱6.2.4 多維非定態(tài)導(dǎo)熱拓展文獻(xiàn)學(xué)習(xí)提示思考題習(xí)題第7章 對(duì)流傳熱7.1 對(duì)流傳熱與對(duì)流傳熱系數(shù)7.1.1 對(duì)流傳熱的種類(lèi)與研究方法7.1.2 溫度邊界層、流體溫度分布與對(duì)流傳熱系數(shù)7.2 平板壁面對(duì)流傳熱7.2.1 平板壁面上層流傳熱的精確解7.2.2 平板壁面上層流傳熱的近似解7.2.3 平板壁面上湍流傳熱的近似解7.3 圓管內(nèi)對(duì)流傳熱7.3.1 圓管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)……第8章 質(zhì)量傳遞：現(xiàn)象、機(jī)理及模型第9章 氣體、液體及固體中的擴(kuò)散傳質(zhì)第10章 傳質(zhì)邊界層及對(duì)流傳質(zhì)理論第11章 傳遞過(guò)程模型化方法參考文獻(xiàn)附錄

章節(jié)摘錄

　　第2章　流體流動(dòng)的機(jī)理與模型化　　如前所述，為揭示流體流動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部物理量的變化規(guī)律，解決諸如速度分布、壓強(qiáng)分布和流動(dòng)阻力的計(jì)算問(wèn)題，必須進(jìn)行微分衡算。本章首先介紹流體與流動(dòng)的一些重要概念和方法，之后通過(guò)對(duì)等溫流動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行微分質(zhì)量衡算和微分動(dòng)量衡算，建立動(dòng)量傳遞的微分方程——連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程，最后介紹一種半經(jīng)驗(yàn)性的模型化方法（量綱分析）。　　本章學(xué)習(xí)中，要仔細(xì)理解連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程的物理意義和來(lái)歷，同時(shí)要注意對(duì)于微分衡算方法及量綱分析的領(lǐng)會(huì)?！　?.1　流體與流動(dòng)的基本概念　　2.1.1　流體的連續(xù)性　　微觀上看，流體由大量分子組成，分子不斷地、無(wú)規(guī)則地運(yùn)動(dòng)著。分子之間具有空隙。例如，常壓下每立方毫米的空氣中有2.7×1015個(gè)氣體分子，空氣分子的平均自由程約為7×10-4mm。大多數(shù)工程實(shí)際情況下涉及的是流體的宏觀特征，若將平均自由程近似看作是分子之間的空隙，與流體流動(dòng)中所涉及的設(shè)備或管道尺寸相比，則分子間的空隙可忽略，從而可假定流體是由流體微團(tuán)構(gòu)成的連續(xù)相，其中沒(méi)有空隙，也就是說(shuō)，可把流體看成是連續(xù)的介質(zhì)。這一概念只適用于宏觀情況，可以說(shuō)流體作為連續(xù)介質(zhì)處理的論述，只有在流體微團(tuán)內(nèi)所包含的分子數(shù)很大，具有平均統(tǒng)計(jì)意義時(shí)才是正確的。

編輯推薦

　　全書(shū)共分11個(gè)章節(jié)，主要對(duì)傳遞過(guò)程物理原理的解釋及化工過(guò)程量化方法作了介紹，具體內(nèi)容包括流體流動(dòng)的機(jī)理與模型化、微分運(yùn)動(dòng)方程的若干解析、熱量傳遞及其微分方程、傳質(zhì)邊界層及對(duì)流傳質(zhì)理論等。該書(shū)可供各大專(zhuān)院校作為教材使用，也可供從事相關(guān)工作的人員作為參考用書(shū)使用。

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