化工流體力學(xué)

內(nèi)容概要

　　《化工流體力學(xué)（第2版）》在保持第一版特色的基礎(chǔ)上，進(jìn)行內(nèi)容增刪，充實(shí)更新，加強(qiáng)應(yīng)用，精煉內(nèi)容，改進(jìn)論述，突出重點(diǎn)，使其更便于理解。內(nèi)容更新著重四個方面：湍流理論與實(shí)踐，兩相流、多相流，計算流體力學(xué)以及非牛頓流體、高分子流體流變學(xué)與流動。　　全書分上下兩篇，共10章?！　∩掀獮榱黧w力學(xué)基本內(nèi)容，保持力學(xué)自身系統(tǒng)性，與工程應(yīng)用的結(jié)合仍參照初版，主要體現(xiàn)在內(nèi)容選擇及計算示例；下篇為基本理論的應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)代化工和高新技術(shù)發(fā)展，確立一些重大命題，較完整地闡述流體力學(xué)在其中的應(yīng)用?！　　痘ち黧w力學(xué)（第2版）》可作為化工及相關(guān)專業(yè)的研究生及高年級本科生的教學(xué)用書，也可供化工及相關(guān)專業(yè)的科研人員參考。

書籍目錄

上篇　流體力學(xué)基礎(chǔ)第1章　流體運(yùn)動規(guī)律的影響因素和研究方法1.1　流體的物理屬性1.2　流動空間的幾何特征，流動問題分類1.3　引發(fā)流體運(yùn)動的方式、工藝過程的操作條件1.4　研究流體運(yùn)動規(guī)律的基本途徑本章主要符號習(xí)題參考文獻(xiàn)第2章　流體運(yùn)動學(xué)、理想流體運(yùn)動2.1　流體運(yùn)動的表示方法2.2　變形的運(yùn)動學(xué)——流體微團(tuán)運(yùn)動分析2.3　連續(xù)性方程2.4　理想流體的運(yùn)動方程——?dú)W拉方程及其伯努利積分2.5　二維運(yùn)動，流函數(shù)2.6　渦旋運(yùn)動2.7　無旋運(yùn)動2.8　有環(huán)量的無旋運(yùn)動本章主要符號習(xí)題參考文獻(xiàn)第3章　黏性流體力學(xué)3.1　黏性流體的運(yùn)動方程及其性質(zhì)與求解3.2　低雷諾數(shù)流理論N?S方程近似（一）3.3　高雷諾數(shù)流理論（層流邊界層理論）N-S方程近似（二）3.4　湍流運(yùn)動的基本方程與經(jīng)典湍流理論3.5　繞流，外部流動3.6　管流，內(nèi)部流動3.7　射流與尾流3.8　多孔介質(zhì)中的流動3.9　湍流參數(shù)測量3.10　湍流擬序結(jié)構(gòu)本章主要符號習(xí)題參考文獻(xiàn)第4章　兩（多）相流動4.1　氣泡與液滴的形成4.2　單一液滴/氣泡運(yùn)動，氣泡動力學(xué)4.3　多顆粒流動4.4　液膜流動本章主要符號習(xí)題參考文獻(xiàn)第5章　非牛頓流體的流變性與流動……第6章　計算流體力學(xué)第7章　流體流動與傳熱、傳質(zhì)第8章　流動、混合與化學(xué)反應(yīng)第9章　生物反應(yīng)器流體動力學(xué)第10章　聚合物加工中的流動與傳遞附錄　基本運(yùn)動方程和牛頓流體應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系式

章節(jié)摘錄

　　前言　　《化工流體力學(xué)》于1988年出版，用作研究生教學(xué)用書，至今已近20年。這期間流體力學(xué)發(fā)展、化工技術(shù)進(jìn)步，著者也經(jīng)歷多年教學(xué)、科研實(shí)踐，積累了一定經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，因而對本書進(jìn)行修訂已屬必要。經(jīng)華東理工大學(xué)2001年批準(zhǔn)，本書修訂作為研究生課程建設(shè)立項。本著“保持原有特色，精簡更新，加強(qiáng)應(yīng)用”的基本思路，組織相關(guān)人員，開展工作。歷經(jīng)兩年多時間，于2005年6月完稿?！　⌒掳婢帉懠仁强偨Y(jié)過去，更是重新學(xué)習(xí)，展望未來?；蛟S可以認(rèn)為，化工流體力學(xué)漸趨成熟，不僅是構(gòu)成化學(xué)工程學(xué)科的理論基礎(chǔ)，指導(dǎo)設(shè)備的強(qiáng)化和優(yōu)化，而且可望逐步用于一些過程和設(shè)備的設(shè)計，亦即已經(jīng)包含相當(dāng)部分的應(yīng)用技術(shù)?；ち黧w力學(xué)將會從研究生的課堂走向企業(yè)實(shí)踐?；谶@樣的認(rèn)識和體會，對流體力學(xué)在化工中應(yīng)用方面的發(fā)展做簡要論述。　　一、流體力學(xué)化工應(yīng)用的發(fā)展　　流體力學(xué)是研究流體平衡和宏觀運(yùn)動規(guī)律、以及流體與所接觸物體之間相互作用的一門學(xué)科。工業(yè)流體力學(xué)是其分支，研究工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、制造和運(yùn)行中有關(guān)流體流動的問題?！　』どa(chǎn)中處理的物料絕大部分是流體或包含固體的多相流體。運(yùn)用流體力學(xué)的基本原理，探討化工設(shè)備中流體運(yùn)動規(guī)律及其對化工過程的影響，從而為化工設(shè)備的設(shè)計、放大、強(qiáng)化奠定理論基礎(chǔ)。這就是化工流體力學(xué)的主要內(nèi)容和目的。例如，了解、研究流體速度、壓力、溫度、密度等在設(shè)備內(nèi)的分布和隨時間的變化，流體中的物體如設(shè)備內(nèi)構(gòu)件、懸浮顆粒（或液滴、氣泡）與流體之間的相互作用等。HughesHughes R.R.Ind.Eng.Chem?1957,49：947在20世紀(jì)50年代末提出，運(yùn)用現(xiàn)代流體力學(xué)推動化學(xué)工程研究，并初步提出積極應(yīng)用流體力學(xué)的若干化工領(lǐng)域，包括湍流與混合，渦旋流場，液膜穩(wěn)定性，氣泡與液滴等。最早以化工流體力學(xué)（Flaid Mechanics in chemical Engineering）為主題，集中刊登相關(guān)論文，見于工業(yè)工程與化學(xué)雜志（Industry Engineering & Chemistry），內(nèi)容涉及熱、質(zhì)同時傳遞，固定床反應(yīng)器中的湍流傳遞，流型與傳熱系數(shù)預(yù)測，設(shè)備中流體分布等。1959年列維奇列維奇著?戴干策，陳敏恒譯?物理化學(xué)流體動力學(xué)?上海：上?？萍汲霭嫔纾?964物理化學(xué)流體力學(xué)出版，以小尺度物體在液體中運(yùn)動為主要對象，并著重物理化學(xué)因素對流動的影響?？梢哉J(rèn)為上述二者對流體力學(xué)在化工中的應(yīng)用起著重要的推動作用?！　?0世紀(jì)50～60年代以來，化工研究者借助于流體力學(xué)，解決化工設(shè)備中一些重要的流動問題。較為突出的有，Davis和Taylor液體中大氣泡上升速度用于流化床中氣泡上升速度計算，尾流現(xiàn)象用于兩相模型建立；Rankine渦描述旋風(fēng)分離器、燃燒室中的基本流型；間斷面概念用于闡明攪拌葉片尾渦形成；流函數(shù)泊松方程用于計算鼓泡塔中的循環(huán)流動；Toor關(guān)于湍流、混合、化學(xué)反應(yīng)關(guān)系的研究等。此外一些重要的國際學(xué)術(shù)會議，例如70～80年代混合操作中的湍流專題討論，揭示了經(jīng)典湍流統(tǒng)計理論在創(chuàng)建微觀混合模型中的重要應(yīng)用。這期間化工生產(chǎn)裝置設(shè)備大型化，實(shí)現(xiàn)高效、低能耗和低物耗；集中控制、自動控制、計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展；過程開發(fā)、產(chǎn)品開發(fā)周期的縮短等，所有這些形成一個基本趨勢：必須深入了解化工過程機(jī)理，而不滿足于總體平衡法建立的過程宏觀參數(shù)關(guān)系。這是促進(jìn)流體力學(xué)應(yīng)用的客觀基礎(chǔ)，生產(chǎn)實(shí)踐的需要是一股強(qiáng)大的動力。20世紀(jì)80年代后期，一批流體力學(xué)專著問世，適應(yīng)了深入探討化工中流動問題的需要，例如Azbel化學(xué)工程中兩相流Azbel D?Two?phase Flows in Chemical Engineering?Cambridge University Press,1981Cheremisinoff主編Cheremisinoff,N?P?Encyclopedia of Fluid Mechanics?Vol 1?10?Gulf publishing Company,1986～1990，1986年至1990年相繼出版的10卷本流體力學(xué)叢書，百多個專題廣泛涉及化工生產(chǎn)中的各類流動，包含多相流、非牛頓流等。很大程度上體現(xiàn)了化工中流動問題的特點(diǎn)：設(shè)備內(nèi)構(gòu)件導(dǎo)致的幾何條件復(fù)雜，物系性質(zhì)、相態(tài)多變，多相并伴有組成、溫度變化等。而同一作者在此前（1983）主編的流體運(yùn)動手冊（Handbook of Fluid in Motion）就其所包含的內(nèi)容，稱之為化工流體運(yùn)動手冊亦不為過。此外，20世紀(jì)60年代Bird等提出“傳遞現(xiàn)象”并出版專著，均以流體流動作為基礎(chǔ)。這在化工界已是眾所周知?？傊@一時期主要是化工研究者學(xué)習(xí)、利用流體力學(xué)，初見成效。出版了一些較有影響的流體力學(xué)著作Denn M?M?Process Fluid Mechanics?Prentice?Hall,Inc?,1980，Brodkey R?S?The phenomena of Fluid Motions?Dover,Mineola N?Y?,1967?！　?0世紀(jì)80年代中后期開始，流體力學(xué)研究者關(guān)注化學(xué)工程。稍早一些，著名流體力學(xué)家BatchelorBatchelor,G?K?Devolopments in microhydrodynamics,In Theoretical and Applied Mechanics,ed.W.Koiter.North Holland Publ?Comp?1977,33～35，Batchelor,G?K?Perspectives in Fluid Dynamics?Cambridge press,2000提出發(fā)展微水動力學(xué)，極大地推動了低雷諾數(shù)流體理論（化工流體力學(xué)重要組成部分）。在其2000年推出的當(dāng)代流體力學(xué)發(fā)展［6］，更是包含了與化學(xué)工程密切相關(guān)的界面流體力學(xué)、流體固化等。一些著名的流體力學(xué)著作Victor L Streeter etal.Fluid Mechanics（第九版）包含了傳熱、擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)器中的混合等內(nèi)容；Prandtl’s Essentials of Fluid Mechanics一書是Prandtl逝世后其流體力學(xué)著作的后續(xù)版本。其中多次提及流體力學(xué)在化工中的應(yīng)用，而在內(nèi)容的選擇上也包含了傳熱、傳質(zhì)、多相流、反應(yīng)流等，這是早期版本中所沒有的?；ぴO(shè)備中流動現(xiàn)象的重要研究成果，大量刊登于流體力學(xué)刊物（Journal of Fluid Mechanics）等。Ann Rev Fluid Mech?經(jīng)?？腔ぴO(shè)備中或是涉及化工過程的流動專題評論?！　∫恍╅L期以來僅由化學(xué)工程界研究的氣?液相際傳遞，20世紀(jì)80年代之后，由于環(huán)境問題，不僅受到流體力學(xué)界的關(guān)注和參與，還幾乎成了“熱點(diǎn)”賈復(fù)?關(guān)于水氣界面處的氣體傳輸?力學(xué)進(jìn)展?2000，30（1）：66，Jahne B?H?Haubecker?Air?water gas exchange?Ann?Rev?Fluid Mech?，1998,30：443。從而使氣液界面?zhèn)鬟f現(xiàn)象的理解有了突破性進(jìn)展。在氣/液界面附近也會發(fā)生類似于固壁附近的湍流猝發(fā)現(xiàn)象。界面附近湍流猝發(fā)是表面更新的實(shí)質(zhì)。經(jīng)典相際傳質(zhì)模型納入了氣/液界面湍流觀察和研究的范疇，并導(dǎo)出了一些有理論依據(jù)的傳質(zhì)膜系數(shù)計算式。有望推動相際傳質(zhì)理論發(fā)展和給予傳質(zhì)強(qiáng)化以新的啟迪?！　×鲌鲲@示技術(shù)以及計算流體力學(xué)的興起，給流體力學(xué)化工應(yīng)用注入新的巨大的活力。瞬時流速，三維空間速度分布、兩相流型、速度等依靠LDA（激光測速），PIV（粒子圖像測速），MRI（磁共振成像）等方法，已可有效測量。圖像處理，數(shù)據(jù)處理使復(fù)雜流場亦得以彩色、清晰表征，實(shí)現(xiàn)流動的可視化。　　計算流體力學(xué)在化學(xué)工程中的應(yīng)用已相當(dāng)普遍，在傳遞過程（計算傳熱、計算傳質(zhì)）以及反應(yīng)器（計算反應(yīng)工程）方面尤為突出。目前攪拌葉輪已可按用戶需求，通過CFD進(jìn)行設(shè)計，大大縮短開發(fā)時間?！　?shí)驗(yàn)技術(shù)和計算技術(shù)的發(fā)展，使化工設(shè)備流場研究取得突出成就。其中流化床、固定床、鼓泡塔、攪拌槽、填料塔、旋風(fēng)分離器等流場信息已相當(dāng)詳盡，雖然工業(yè)裝置放大設(shè)計方面仍有許多難題，但近十年中取得的進(jìn)展是令人矚目的?！　∫怨潭ù矠槔齈rashant R?Gunjal,Vivek V?Ranade and Raghunath V?Chaudhari?Computational Study of a Single?phase Flow in paked Beds of spheres?AICHEJ,2005,50（2）：365，已經(jīng)獲得軸向、橫向速度分布，Re數(shù)對流型影響（空隙空間中的循環(huán)），阻力特征（摩擦阻力占總阻力21%～27％），流動結(jié)構(gòu)對傳熱（顆粒/流體）的影響等，豐富的信息使CFD有望成為固定床反應(yīng)器的設(shè)計工具?！　√盍纤械臍?液兩相流J?M?de Santos,T?R?Melli?L?E?Scriven?Mechanics of Gas Liquid Flow in packed?Bed contactors.Annu.Rev.Fluid.Mech?，1991,23：233，宏觀尺度（床尺度）和微觀尺度（孔隙尺度）上的流動行為：脈動流、鼓泡流、噴霧流、溪流、滴流等現(xiàn)象的揭示，毫米級管徑中氣/液兩相行為觀察，毛細(xì)現(xiàn)象/慣性支配流動的特征等流動機(jī)理的理解，為掌握填料塔水力學(xué)性能、傳質(zhì)性能提供了新的基礎(chǔ)。用CFD方法定量計算兩相流對規(guī)則填料傳質(zhì)效率的影響，已取得成效。三相床的模擬計算，研究涓流床固體顆粒表面液膜流動和顆粒潤濕、毛細(xì)管作用力等，精確預(yù)測目前還難以達(dá)到，但畢竟邁出了性能預(yù)測的重要一步?！　「爬ǘ?，計算流體力學(xué)與流場顯示技術(shù)的結(jié)合，正在逐步地、有效地改進(jìn)、加深對各類化工設(shè)備中流動現(xiàn)象的理解。這是當(dāng)前化工流體力學(xué)發(fā)展最重要的趨勢，未來若干年內(nèi)，所有單元操作都會在流體力學(xué)發(fā)展新水平基礎(chǔ)上被重新認(rèn)識?！　《?、化工流體力學(xué)新版特點(diǎn)　　新版全書分為上下兩篇。上篇為流體力學(xué)基本內(nèi)容，保持流體力學(xué)自身系統(tǒng)性，所選內(nèi)容，仍參照初版，考慮與工程應(yīng)用的結(jié)合，并給出一些重要示例。下篇為基本理論的應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)代化工和高新技術(shù)發(fā)展，確立一些重要命題，較為完整地闡述流體力學(xué)在其中的應(yīng)用。　　對經(jīng)典內(nèi)容——運(yùn)動學(xué)，渦旋運(yùn)動，黏性流體運(yùn)動等改進(jìn)論述，突出重點(diǎn)，使其便于理解；內(nèi)容調(diào)整、更新著重四個方面：湍流理論與實(shí)踐，兩（多）相流，非牛頓流以及計算流體力學(xué)。湍流唯象理論、統(tǒng)計理論較初版雖然有刪節(jié)，但相對完整；湍流擬序結(jié)構(gòu)作了專題介紹，新增湍流模型。充分顯示了湍流理論所占有的突出位置。多孔介質(zhì)中的流動，考慮其特點(diǎn)及應(yīng)用上的重要性，新版作了補(bǔ)充。兩相流論述結(jié)構(gòu)上作了調(diào)整，內(nèi)容仍主要包含氣泡、液滴、液膜、多顆?；拘袨椋瑢Χ嘞嗄Ｐ?、氣/液兩相流已經(jīng)成稿，因考慮篇幅而刪節(jié)?！　∥锢砀拍钆c數(shù)學(xué)推演的關(guān)系既是流體力學(xué)中的難點(diǎn)，又是不可回避的關(guān)鍵。有人說，數(shù)學(xué)對于流體力學(xué)有如音符于音樂，沒有音符自然沒有音樂。離開數(shù)學(xué)，流體力學(xué)也幾乎難以存在，所以流體力學(xué)包含相當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)是必須的，新版仍然繼承了這一傳統(tǒng)?；痉匠掏茖?dǎo)，重要方程基本解法，都作了完整的論述，同時對物理意義及方程應(yīng)用力求詳細(xì)解釋。由于計算在當(dāng)今工程技術(shù)中的應(yīng)用愈顯重要，以及某些概念，離開數(shù)學(xué)推演也很難理解，因而對回避和恐懼?jǐn)?shù)學(xué)，應(yīng)該說“不”。盡管如此，數(shù)學(xué)推演在本書中所占篇幅并不很大，重點(diǎn)還是在物理現(xiàn)象的闡述和分析?！　×黧w力學(xué)在化工中的成功應(yīng)用，案例已經(jīng)很多，是20年前無法比擬的，這給下篇提供充實(shí)的基礎(chǔ)。本書第7章、第8章，分別就流體力學(xué)與傳熱、傳質(zhì)以及混合、反應(yīng)的關(guān)系，這兩個化學(xué)工程中最普遍，也最重要的過程現(xiàn)象進(jìn)行論述。第九、第十兩章選擇生物反應(yīng)器和聚合物材料加工兩個當(dāng)前最具生命力的應(yīng)用領(lǐng)域，介紹流體力學(xué)在其中所處位置。由于應(yīng)用面廣，內(nèi)容豐富，下篇內(nèi)容的取舍，除盡量考慮其重要性，學(xué)科前沿以及完整性之外，還受著者自身科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的限制，因而下篇應(yīng)用部分，絕不是流體力學(xué)在化工中應(yīng)用的全部，甚至不是大部，只是一種典型?！　∪⒘黧w力學(xué)在化學(xué)工程教學(xué)中地位的再認(rèn)識　　流體力學(xué)由于其重要性，在工科教育中歷來占有重要位置，但在化工中并不盡然?；ゎ惖谋究茖I(yè)通常不設(shè)專門的流體力學(xué)課程，只在化工原理課程中包含部分內(nèi)容，不但內(nèi)容少，重要的是缺少相關(guān)問題處理方法的訓(xùn)練?；ゎ惔T士研究生也只是部分人選修，這一課程設(shè)置與布局，與當(dāng)前化工流體力學(xué)發(fā)展水平不相適應(yīng)，流體力學(xué)不再只是簡單幾何條件下復(fù)雜的數(shù)學(xué)推演，已經(jīng)變得生動、具體、應(yīng)用廣泛。　　計算流體力學(xué)是解決實(shí)際問題的有用工具，對化工也不例外，但這一工具的有效使用，絕不是惟一地依賴于各類軟件，也就是說，并非學(xué)會軟件使用，就學(xué)會計算。建立不失真而計算量又許可的湍流模型和兩相流模型，往往是計算成敗的關(guān)鍵。因此，流體力學(xué)基本原理和認(rèn)識化工過程特點(diǎn)，兩者的結(jié)合便于建立適宜的模型，并在這一基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)值方法，計算機(jī)技術(shù)，計算軟件，這是應(yīng)該遵循的正確途徑?！　』どa(chǎn)中的實(shí)際問題相當(dāng)復(fù)雜，試差、經(jīng)驗(yàn)地處理問題，會長期存在，擁有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，無疑是必要、珍貴的，隨著科學(xué)理論和計算方法的發(fā)展，探索新的途徑，提煉新的工作方法，同樣是必要的?！　∩鲜鲇^點(diǎn)難免有失偏頗，而且更有王婆賣瓜之嫌，但仍愿在再版前言中寫出來，以冀引起關(guān)注，贊同和批評都同樣歡迎。　　四、化工流體力學(xué)的研究方法與教學(xué)方法　　研究流體力學(xué)規(guī)律，有三種方法，即理論解析法，實(shí)驗(yàn)觀測法和數(shù)值計算法，三種方法相輔相成。鑒于化工流動問題的特點(diǎn)，化工流體力學(xué)成功經(jīng)驗(yàn)的啟示，自然特別推薦計算流體力學(xué)方法和流場顯示技術(shù)的結(jié)合。但理論解析法對掌握同類現(xiàn)象的關(guān)鍵因素，復(fù)雜問題的簡化，模型概念反復(fù)系統(tǒng)的培訓(xùn)，模型方程的推導(dǎo)，處理方程的若干數(shù)學(xué)技巧的掌握，具有不可替代的作用；關(guān)鍵因素的量綱分析、無量綱化、關(guān)鍵作用力的量級比較，對實(shí)驗(yàn)設(shè)計，化工實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方案建立，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等具有指導(dǎo)作用。結(jié)合實(shí)際案例，進(jìn)行研究方法訓(xùn)練，是本課程教學(xué)的重要組成部分?！　∮嬎泐A(yù)測日益成為處理工程實(shí)際問題的先導(dǎo)，通過流體力學(xué)及其它課程進(jìn)行數(shù)學(xué)模型教育、實(shí)踐，雖然困難，已屬必要?！　⌒抻喓蟮牟糠终鹿?jié)曾在華東理工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)部分研究生中試講，聽取意見?！　∧暇├砉ご髮W(xué)陳志華副教授編寫了本書第六章計算流體力學(xué)，并為第三章提供初稿；華東理工大學(xué)黃發(fā)瑞教授編寫第四章兩相流動。陳劍佩副教授提供第九章初稿，譚文松教授為第九章提供珍貴資料?！　”緯珜戇^程中，得到曹麗芳同志的支持和幫助，陳劍佩副教授和賈蓉、宗原、李光、蔡清白、黃娟、鄧云輝、雷長明等參與文獻(xiàn)查閱，有關(guān)內(nèi)容分析、討論、做圖、打印、校對等多項工作。華東理工大學(xué)對本書的出版給予了經(jīng)費(fèi)支持?；瘜W(xué)工業(yè)出版社的編輯對本書的出版付出了辛勤的勞動?！　〈蠹业墓餐?，使本書得以順利出版，對于許多同志和朋友的幫助、鼓勵和支持，作者表示衷心的感謝。對于書中存在的缺點(diǎn)和謬誤，懇請讀者批評指正。

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