本教材以材料工程共性基礎(chǔ)理論為主線，從工程研究方法、工程基礎(chǔ)理論和工程理論應(yīng)用等方面介紹材料工程領(lǐng)域相關(guān)基本理論及其應(yīng)用。強(qiáng)調(diào)理論知識與工程實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，并試圖將材料工程領(lǐng)域的先進(jìn)科技成果充實(shí)其中，通過實(shí)際應(yīng)用例子，加強(qiáng)分析與解決工程問題的能力，增強(qiáng)工程意識。 本教材主要內(nèi)容包括量綱分析與相似原理、流體力學(xué)基本原理及流體輸送機(jī)械、熱量傳遞原理及其應(yīng)用、質(zhì)量傳遞原理、物料干燥原理及技術(shù)、燃料及其燃燒過程與技術(shù)。
本教材突出地方院校對應(yīng)用型人才培養(yǎng)的特點(diǎn)。以材料工程共性基礎(chǔ)理論為主線，從工程研究方法、工程基礎(chǔ)理論和工程理論應(yīng)用等方面介紹材料工程領(lǐng)域相關(guān)基本理論及其應(yīng)用。即體現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容各部分之間的邏輯性和整體性，又有利于學(xué)習(xí)者理解和掌握實(shí)際工程中的單元操作的規(guī)律。強(qiáng)調(diào)理論知識與工程實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，并試圖將材料工程領(lǐng)域的先進(jìn)科技成果充實(shí)其中，通過實(shí)際應(yīng)用例子，加強(qiáng)分析與解決工程問題的能力，增強(qiáng)工程意識。
材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，人們的衣食住行無不涉及材料。材料品種繁多，諸如金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料等。不同的材料由于其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及工藝要求的不同，制備與加工過程由各種不同的單元操作過程組成。材料的制備與加工過程中要涉及許多物理和化學(xué)過程。對材料制備與加工過程的研究是材料研究領(lǐng)域的一個(gè)主要方面。雖然，不同材料的生產(chǎn)加工過程各不相同，甚至同一種材料也存在不同的生產(chǎn)過程，然而，無論哪種材料，其不同生產(chǎn)過程都需要遵循共同的工程原理，包括流體流動（動量傳遞）、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞等。對這些具有共性的基本原理進(jìn)行研究是材料工程原理需要解決的基本問題。圍繞材料制備與加工過程中涉及的基本理論和基本知識，探討需要解決的基本問題，是材料工程領(lǐng)域的主要任務(wù)。
材料工程基礎(chǔ)是材料科學(xué)與工程專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的課程體系中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程是在掌握高等數(shù)學(xué)及相關(guān)物理和化學(xué)知識的基礎(chǔ)上為進(jìn)一步學(xué)習(xí)工程性專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)，是由基礎(chǔ)課向工程科學(xué)的專業(yè)課過渡的入門課程。
本書內(nèi)容涉及材料工程領(lǐng)域中的共性基礎(chǔ)理論動量、能量和質(zhì)量傳遞的基本規(guī)律，上述理論典型運(yùn)用的單元過程物料的干燥和燃料的燃燒，以及工程研究方法量綱分析及相似理論。主要內(nèi)容包括量綱分析與相似原理、流體力學(xué)基本原理及流體輸送機(jī)械、熱量傳遞原理及其應(yīng)用、質(zhì)量傳遞原理、物料干燥原理及技術(shù)、燃料及其燃燒過程與技術(shù)。
本書以材料工程共性基礎(chǔ)理論為主線，從工程研究方法、工程基礎(chǔ)理論和工程理論應(yīng)用等方面介紹材料工程領(lǐng)域相關(guān)基本理論及其應(yīng)用，既體現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容各部分之間的邏輯性和整體性，又有利于學(xué)習(xí)者理解和掌握實(shí)際工程中的單元操作的規(guī)律。本書強(qiáng)調(diào)理論知識與工程實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，并試圖將材料工程領(lǐng)域的先進(jìn)科技成果充實(shí)其中，通過實(shí)際應(yīng)用例子，加強(qiáng)分析與解決工程問題的能力，增強(qiáng)工程意識。
由于課程的內(nèi)容與實(shí)際生產(chǎn)過程和日常生活密切相關(guān)，因此在學(xué)習(xí)的過程中應(yīng)緊密聯(lián)系實(shí)際生產(chǎn)過程，注意對日常生活的觀察和思考，對各個(gè)基本原理所涉及的物理或化學(xué)現(xiàn)象注重分析其影響因素及其相互之間的關(guān)系。同時(shí)，注意學(xué)習(xí)時(shí)逐步掌握各種分析問題和解決問題的方法與思路。
本書可作為材料科學(xué)與工程一級學(xué)科專業(yè)及其相應(yīng)的二級學(xué)科專業(yè)的本科教學(xué)用書，以及材料與化工、材料工程等相關(guān)專業(yè)碩士研究生的教學(xué)參考書，也可供材料類工業(yè)領(lǐng)域中從事科研、生產(chǎn)的工程技術(shù)人員參考。
由于編者水平有限，書中存在疏漏、缺點(diǎn)和錯(cuò)誤以及不完善之處在所難免，懇請廣大師生和讀者批評指正，以使之進(jìn)一步完善。
孫宜華，教授，碩士生導(dǎo)師，三峽大學(xué)151學(xué)術(shù)帶頭人。1992年畢業(yè)于武漢工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位；1992.7~2006.8在湖北力帝機(jī)床股份有限公司工作，任廠長、處長等職；2002年晉升為高級工程師；2005年獲華中科技大學(xué)材料工程碩士學(xué)位；2006.9~2009.6在華中科技大學(xué)攻讀材料學(xué)博士，獲工學(xué)博士學(xué)位。2009.6至今在三峽大學(xué)材料與化工學(xué)院從事教學(xué)與科研工作，2010年轉(zhuǎn)聘副教授，2013年晉升教授，2018年3月至2019年4月美國密歇根大學(xué)訪問學(xué)者、客座教授。主要從事透明導(dǎo)電氧化物靶材及薄膜、特種材料連接、再生資源利用技術(shù)裝備等研究工作。曾獲華中科技大學(xué)2007年度優(yōu)秀論文獎。先后主持省部級項(xiàng)目2項(xiàng)，廳局級項(xiàng)目4項(xiàng)，其它項(xiàng)目20余項(xiàng)。在國內(nèi)外刊物Journal of the American Ceramic Society、 Applied Surface Science等上發(fā)表論文80余篇，三大檢索收錄60余篇。出版國家特色專業(yè)規(guī)劃教材《金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》1部，任《浮法玻璃生產(chǎn)操作叢書》總編委。授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)、實(shí)用新型專利30余項(xiàng)。獲全國建材行業(yè)技術(shù)革新獎三等獎1項(xiàng)、湖北省科技進(jìn)步獎三等獎2項(xiàng)、宜昌市科技進(jìn)步獎一等獎2項(xiàng)、三峽大學(xué)自然科學(xué)獎二等獎1項(xiàng)。獲第八屆湖北省高等學(xué)校教學(xué)成果獎二等獎1項(xiàng)、三峽大學(xué)第八屆教學(xué)成果獎二等獎1項(xiàng)。主講《無機(jī)非金屬材料》《熱工與熱力設(shè)備》《材料成形基礎(chǔ)》《材料工程基礎(chǔ)》等多門本科生、留學(xué)生、研究生課程。
第一章量綱分析與相似原理1
第一節(jié)量綱分析2
一、 物理量的單位與量綱2
二、 量綱和諧原理和定理6
三、 量綱分析法9
第二節(jié)相似原理13
一、 相似的概念13
二、 相似理論基本定理19
三、 相似準(zhǔn)則的導(dǎo)出方法21
四、 模型研究方法23
思考題32
習(xí)題33
第二章流體力學(xué)基礎(chǔ)35
一、 流體的主要物理性質(zhì)36
二、 作用在流體上的力42
三、 描述流體的力學(xué)模型43
第一節(jié)流體靜力學(xué)44
一、 流體靜壓強(qiáng)及其特征44
二、 流體壓強(qiáng)的表示方法與度量單位46
三、 流體靜力學(xué)基本方程47
四、 壓強(qiáng)與壓差的測量50
第二節(jié)一元不可壓縮流體動力學(xué)基礎(chǔ)53
一、 描述流體運(yùn)動的方法53
二、 流體流動基本概念55
三、 流體流動連續(xù)性方程57
四、 元流能量方程元流伯努利方程59
五、 總流能量方程總流伯努利方程62
六、 穩(wěn)態(tài)流動總流動量方程*69
第三節(jié)流動阻力和能量損失73
一、 流動阻力和能量損失的類型73
二、 流體流動形態(tài)及其判定74
三、 圓管內(nèi)的層流運(yùn)動75
四、 圓管內(nèi)的湍流運(yùn)動77
五、 圓管內(nèi)湍流的沿程阻力系數(shù)80
六、 非圓管內(nèi)流體流動沿程阻力損失84
七、 管道內(nèi)流體局部阻力損失85
八、 減小阻力損失的措施89
九、 邊界層90
第四節(jié)管路基礎(chǔ)92
第五節(jié)一元?dú)怏w動力學(xué)基礎(chǔ)*96
一、 基本概念96
二、 理想氣體一元穩(wěn)態(tài)流動運(yùn)動方程98
三、 氣體一元穩(wěn)態(tài)流動連續(xù)性方程101
第六節(jié)黏性流體力學(xué)基礎(chǔ)*104
一、 流體運(yùn)動微分形式連續(xù)性方程104
二、 黏性流體運(yùn)動微分方程式105
三、 黏性流體運(yùn)動基本方程的求解109
第七節(jié)離心式風(fēng)機(jī)與泵109
一、 離心式風(fēng)機(jī)與泵的工作原理110
二、 離心式風(fēng)機(jī)與泵的性能參數(shù)和性能曲線111
三、 相似理論在離心式風(fēng)機(jī)與泵中的應(yīng)用113
四、 離心式風(fēng)機(jī)與泵的運(yùn)行及工況調(diào)節(jié)116
五、 離心式泵的氣蝕與安裝高度119
六、 離心式風(fēng)機(jī)與泵的選型121
思考題122
習(xí)題123
第三章傳熱學(xué)基礎(chǔ)127
一、 熱量傳遞的基本概念128
二、 熱量傳遞的基本方式129
三、 傳熱過程與傳熱熱阻131
第一節(jié)傳導(dǎo)傳熱131
一、 熱導(dǎo)率132
二、 導(dǎo)熱微分方程133
三、 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱136
四、 多維穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱*144
五、 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱*146
第二節(jié)對流換熱152
一、 對流換熱概述152
二、 熱邊界層153
三、 對流換熱過程的數(shù)學(xué)描述154
四、 對流換熱的實(shí)驗(yàn)計(jì)算式155
五、 有相變的對流換熱*166
第三節(jié)輻射換熱171
一、 熱輻射的基本概念171
二、 黑體輻射定律175
三、 實(shí)際物體和灰體的輻射178
四、 角系數(shù)182
五、 兩個(gè)灰體之間的輻射換熱185
六、 多個(gè)灰體表面組成封閉系統(tǒng)時(shí)的輻射傳熱*188
七、 輻射換熱的強(qiáng)化與削弱191
八、 氣體輻射與火焰輻射*191
第四節(jié)綜合傳熱過程與換熱器195
一、 傳熱過程與復(fù)合傳熱195
二、 肋的導(dǎo)熱與傳熱*198
三、 換熱器204
思考題207
習(xí)題208
第四章質(zhì)量傳遞原理212
一、 濃度213
二、 傳質(zhì)的速度與通量214
第一節(jié)質(zhì)量傳遞微分方程216
一、 傳質(zhì)微分方程的推導(dǎo)216
二、 傳質(zhì)微分方程的簡化218
第二節(jié)分子擴(kuò)散219
一、 費(fèi)克定律219
二、 一維穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散220
第三節(jié)對流傳質(zhì)225
一、 對流傳質(zhì)機(jī)理分析225
二、 濃度邊界層226
三、 對流傳質(zhì)系數(shù)226
第四節(jié)相際傳質(zhì)227
一、 相平衡和相律228
二、 亨利定律和拉烏爾定律229
三、 相際傳質(zhì)的雙膜阻理論230
四、 相界面成分和薄膜傳質(zhì)系數(shù)230
五、 總傳質(zhì)系數(shù)232
六、 熱質(zhì)傳遞過程分析*233
第五節(jié)傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)235
一、 非均勻化學(xué)反應(yīng)與擴(kuò)散傳質(zhì)235
二、 均勻化學(xué)反應(yīng)與擴(kuò)散傳質(zhì)236
三、 球形顆粒的縮核反應(yīng)與傳質(zhì)237
第六節(jié)動量、 熱量和質(zhì)量傳遞的類比*239
一、 傳遞過程分析239
二、 分子傳遞240
三、 湍流傳遞241
四、 動量、 熱量和質(zhì)量傳遞的類比242
思考題243
習(xí)題244
第五章物料干燥245
第一節(jié)干燥靜力學(xué)246
一、 濕空氣的性質(zhì)246
二、 濕空氣的焓濕圖及應(yīng)用254
三、 濕空氣狀態(tài)的變化過程257
第二節(jié)干燥過程分析與計(jì)算260
一、 水分在氣固兩相間的平衡260
二、 干燥過程的物料衡算和熱量衡算262
三、 干燥速率266
第三節(jié)干燥技術(shù)271
一、 干燥設(shè)備的分類和基本要求271
二、 對流干燥272
三、 傳導(dǎo)干燥274
四、 輻射干燥275
五、 場干燥技術(shù)276
思考題277
習(xí)題278
第六章燃料與燃燒280
第一節(jié)燃料的種類及其組成281
一、 固體燃料281
二、 液體燃料285
三、 氣體燃料286
第二節(jié)燃料的性質(zhì)287
一、 燃料的發(fā)熱量287
二、 煤的特性289
三、 燃料油291
四、 氣體燃料293
第三節(jié)燃燒計(jì)算294
一、 分析計(jì)算294
二、 空氣量和煙氣量的近似計(jì)算301
三、 操作計(jì)算301
第四節(jié)燃料的燃燒過程308
一、 燃燒過程的基本理論309
二、 不同燃料的燃燒過程314
第五節(jié)潔凈燃燒技術(shù)321
一、 燃燒污染與防治321
二、 材料生產(chǎn)中的燃燒新技術(shù)325
思考題329
習(xí)題329
附錄331
參考文獻(xiàn)350
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