本書是“十三五”江蘇省高等學(xué)校重點教材,以新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神為指引,結(jié)合近年來教學(xué)改革成果編寫而成。
本書注重知識基礎(chǔ)的夯實、深度難度的有機拓展及傳輸理論在材料制備、材料加工及冶金工程等實踐中的應(yīng)用。全書共三篇13章,即動量傳輸篇、熱量傳輸篇、質(zhì)量傳輸篇,包含流體的概念及性質(zhì)、流體靜力學(xué)、動量傳輸基礎(chǔ)、流體流動基本方程、邊界層理論、熱量傳輸?shù)幕靖拍睢?dǎo)熱、對流傳熱、輻射換熱、質(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍睢U散傳質(zhì)、對流傳質(zhì)、相間傳質(zhì)。全書典型例題剖析深刻,每章均有思維導(dǎo)圖和習(xí)題,利于讀者抓住重點,深入系統(tǒng)學(xué)習(xí),方便讀者查看和學(xué)習(xí)。
本書可作為普通高等學(xué)校材料類、冶金類、化工類、能源動力類、機械類等專業(yè)的教材或教學(xué)參考書,也可供其他專業(yè)選用和相關(guān)科技人員參考。
材料制備和加工的組成單元變化無窮,但各種單元涉及的基本理論卻有其共性。與化工、冶金等工程學(xué)科一樣,材料工程涉及的基礎(chǔ)工程知識也主要是動量的傳遞(力學(xué))、能量的傳遞(熱學(xué))、質(zhì)量的傳遞(傳質(zhì)學(xué)),但這些基礎(chǔ)知識在不同學(xué)科中的應(yīng)用又各有側(cè)重。
從20世紀中葉以來,傳輸原理已成為一門獨立學(xué)科并廣泛應(yīng)用于冶金、材料、機械、化工、能源等工程領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,傳輸原理在認識冶金過程與材料制備過程及材料加工過程的本質(zhì),發(fā)展冶金、材料制備及加工新理論、新技術(shù)、新工藝、新方法、新流程等方面發(fā)揮了重要的支柱作用,已經(jīng)成為現(xiàn)代冶金、材料制備及加工工程的理論基礎(chǔ)。
南京理工大學(xué)自2003年起面向材料科學(xué)與工程專業(yè)和材料加工工程專業(yè)的本科生開設(shè)了“傳輸原理”課程,受到了學(xué)生的普遍歡迎。為滿足材料類(材料科學(xué)與工程、材料加工工程、材料成型及控制工程)專業(yè)學(xué)生有針對性地學(xué)習(xí)動量傳輸、熱量傳輸、質(zhì)量傳輸?shù)幕局R及其在材料工程中的應(yīng)用,培養(yǎng)材料類專業(yè)學(xué)生綜合應(yīng)用動量傳輸、熱量傳輸和質(zhì)量傳輸理論去定量或定性地分析材料成形/加工中的理論和工程問題的能力,同時也滿足南京理工大學(xué)“傳輸原理”課程教學(xué)的需要,推進課程建設(shè)與教材建設(shè)融合,課程教學(xué)團隊經(jīng)過十幾年的教學(xué),積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗,對課程知識點和內(nèi)容理解深刻、把握精準,規(guī)劃編寫了適合材料類專業(yè)有關(guān)傳輸原理課程教學(xué)的專業(yè)教材《材料工程傳輸原理》。
本書包含動量傳輸、熱量傳輸、質(zhì)量傳輸(簡稱三傳)三篇,共13章,以三傳為主線,注重從三種傳輸具有類似性的角度闡述流體流動過程、傳熱過程以及傳質(zhì)過程的傳輸基礎(chǔ)理論,并力求將這些基礎(chǔ)理論應(yīng)用于材料制備、材料加工及冶金工程實踐中。其中動量傳輸篇包括流體的概念及性質(zhì)、流體靜力學(xué)、動量傳輸基礎(chǔ)、流體流動基本方程、邊界層理論等內(nèi)容;熱量傳輸篇包括熱量傳輸?shù)幕靖拍睢?dǎo)熱、對流換熱、輻射換熱等內(nèi)容;質(zhì)量傳輸篇包括質(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍睢U散傳質(zhì)、對流傳質(zhì)、相間傳質(zhì)等內(nèi)容。各章均設(shè)有例題和習(xí)題,書末附有常用數(shù)據(jù)表。
本書可作為普通高等學(xué)校材料類、冶金類、化工類、能源動力類、機械類等專業(yè)的教材或教學(xué)參考書,也可供其他專業(yè)選用或相關(guān)科技人員參考。
本書內(nèi)容系統(tǒng)豐富、知識點具有邏輯關(guān)系和針對性,敘述簡明扼要,在教材編寫過程中突出了以下特色:
1)知識點系統(tǒng)性強,內(nèi)容體系完整,各篇章之間邏輯層次清晰,銜接合理。
2)內(nèi)容敘述簡明扼要,重點突出,重視基礎(chǔ),強調(diào)三傳過程規(guī)律的相似之處,揭示三傳現(xiàn)象相似性的深刻內(nèi)涵,示范如何運用數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)知識分析實際問題。
3)內(nèi)容梯度和廣度適中,強調(diào)傳輸理論在材料制備、材料成形與材料加工等方面的應(yīng)用,突出動量傳輸、熱量傳輸、質(zhì)量傳輸?shù)睦碚撝R在材料工程中的應(yīng)用實例,以提高讀者分析和解決材料工程復(fù)雜問題的能力。
4)吸收國內(nèi)外同類教材優(yōu)點和長處,豐富每章的例題和習(xí)題,便于讀者自學(xué)、總結(jié)與提高。
5)適應(yīng)時代特色和材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展,體現(xiàn)三傳過程的原理在現(xiàn)代材料科學(xué)與先進材料工程技術(shù)中的應(yīng)用,展現(xiàn)教材內(nèi)容的現(xiàn)代化。
本書是在多年教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上,參考國內(nèi)外有關(guān)文獻編寫而成的,由南京理工大學(xué)鄒友生教授、侯懷宇副教授、楊森教授、曾海波教授編著。第1~4章由侯懷宇副教授編寫,第5章由楊森教授編寫,第6~12章由鄒友生教授編寫,第13章由曾海波教授編寫,全書由鄒友生統(tǒng)稿,秦淵主審。
本書的編寫得到了陸星宇、鄒濟匡、劉云澤、何澤人、劉賢浩等研究生的協(xié)助和支持,在此對他們及所有為本書提供資料和建議的同志表示衷心的感謝!
由于編者水平有限,書中難免會有不足之處,懇請讀者批評指正。
目錄
前言
緒論1
01三種傳輸基本定律1
02三種傳輸現(xiàn)象類比2
第1篇動量傳輸
第1章流體的概念及性質(zhì)7
11流體和連續(xù)介質(zhì)模型7
111流體的概念7
112連續(xù)介質(zhì)模型8
12流體的壓縮性和熱膨脹性8
121液體的壓縮性和熱膨脹性8
122氣體的壓縮性和熱膨脹性9
123不可壓縮流體10
13流體的黏性11
131流體中的黏性力11
132牛頓黏性定律和流體黏度11
133理想流體、牛頓流體和非牛頓
流體14
習(xí)題14
第2章流體靜力學(xué)15
21作用在流體上的力15
22靜止流體平衡微分方程——歐拉
方程16
23重力場下流體靜力學(xué)基本方程18
24靜止液體對壁面的作用力19
241靜止液體對平面壁的壓力19
242靜止液體對曲面壁的壓力20
習(xí)題22
第3章動量傳輸基礎(chǔ)25
31流體的流動形態(tài)26
311雷諾實驗26
312雷諾數(shù)27
32流場及其描述28
321流場28
322跡線和流線28
323流管、流束和流量29
324穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流29
33動量傳輸方式和動量通量30
331動量傳輸?shù)幕痉绞?0
332動量率與動量通量30
34動量平衡及其應(yīng)用31
341動量平衡方程的形式31
342斜面上下降液膜的層流流動32
343兩平行平板間流體的層流流動33
35流體繞圓球的流動35
351球形顆粒在流體中穩(wěn)定運動的
阻力35
352球形顆粒在流體中的沉降終速37
習(xí)題39
第4章流體流動基本方程40
41質(zhì)量守恒定律與連續(xù)性方程40
42流體動量平衡方程42
421實際流體動量平衡方程——納維
爾斯托克斯方程42
422理想流體動量平衡方程——歐拉
方程45
423兩平行平板間層流流動的動量平
衡方程45
43流體能量守恒方程——伯努利方程48
431理想流體的伯努利方程48
432實際流體的伯努利方程51
44伯努利方程的應(yīng)用52
441畢托管52
442文丘里管53
習(xí)題54
第5章邊界層理論55
51邊界層的基本概念55
511邊界層的定義56
512邊界層的特征56
52平面層流邊界層微分方程57
53平面邊界層積分方程58
習(xí)題61
第2篇熱量傳輸
第6章熱量傳輸?shù)幕靖拍?5
61熱量傳輸?shù)难芯績?nèi)容65
62熱量傳輸?shù)幕痉绞?6
621熱傳導(dǎo)66
622熱對流67
623熱輻射69
63溫度場及其描述70
631溫度場70
632等溫線(面)71
633溫度梯度71
64熱流與熱通量72
習(xí)題72
第7章導(dǎo)熱73
71導(dǎo)熱基本定律73
711傅里葉定律73
712導(dǎo)熱系數(shù)75
713熱擴散率76
72導(dǎo)熱微分方程77
721直角坐標導(dǎo)熱微分方程77
722圓柱坐標系和球坐標系的導(dǎo)熱微分
方程79
723定解條件80
73一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱82
731平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱82
732圓管一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱88
733圓球一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱91
74二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱92
75非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱94
751非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的基本概念95
752集總參數(shù)法98
753一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的分析解法102
習(xí)題108
第8章對流換熱110
81對流換熱基本概念111
82牛頓冷卻公式和傳熱系數(shù)112
821牛頓冷卻公式112
822表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及其影響因素113
823對流換熱過程的分類114
83對流換熱微分方程115
831能量微分方程115
832動量微分方程116
833連續(xù)性微分方程117
84平板層流對流換熱117
841邊界層對流換熱微分方程組117
842邊界層對流換熱微分方程組的
分析解119
843邊界層熱量積分方程及其解121
85自然對流換熱126
851自然對流換熱的特點126
852垂直平板自然對流換熱127
習(xí)題130
第9章輻射換熱132
91熱輻射基本概念132
911熱輻射的本質(zhì)和特點132
912熱輻射的吸收率、光譜反射因數(shù)和
透過率134
92黑體輻射基本定律135
921黑體輻射135
922輻射力(輻射照度)135
923普朗克定律136
924維恩位移定律138
925斯蒂芬玻耳茲曼定律138
926基爾霍夫定律140
927蘭貝特定律141
93實際物體的輻射142
931實際物體的輻射特性142
932實際物體的吸收特性143
933灰體144
94黑體表面間的輻射換熱145
941角系數(shù)的定義145
942角系數(shù)的性質(zhì)146
943確定角系數(shù)的方法147
944黑體表面間輻射換熱與空間
熱阻153
95灰體表面間的輻射換熱153
951有效輻射153
952兩無限大平行平板間的輻射
換熱154
953遮熱板原理155
954輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)求解法157
96氣體的輻射與吸收163
961氣體的輻射和吸收特性163
962氣體黑度164
習(xí)題165
第3篇質(zhì)量傳輸
第10章質(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍?69
101質(zhì)量傳輸基本方式170
1011擴散傳質(zhì)170
1012對流傳質(zhì)170
1013相間傳質(zhì)171
102濃度、速度和傳質(zhì)通量171
1021濃度171
1022速度173
1023傳質(zhì)通量175
103菲克定律177
104菲克第二定律177
105傳質(zhì)微分方程178
1051質(zhì)量傳輸微分方程推導(dǎo)179
1052質(zhì)量傳輸微分方程的特定
形式181
1053柱坐標系和球坐標系的質(zhì)
量傳輸微分方程1