流體力學與熱工學

目 錄
第1篇 流 體 力 學
第1章 流體力學概述 1
1.1 流體力學的范疇 1
1.1.1 定義和特征 1
1.1.2 連續(xù)介質(zhì)模型 1
1.1.3 研究內(nèi)容 2
1.2 流體力學與生活、工程技術的關系 2
1.2.1 流體力學與生活的關系 2
1.2.2 流體力學與工程技術的關系 3
1.3 流體力學的發(fā)展歷史 3
1.4 流體力學的研究方法 5
第2章 流體的屬性 6
2.1 流體的基本屬性 6
2.1.1 密度 6
2.1.2 重度 6
2.1.3 比容 7
2.1.4 氣體的狀態(tài)方程 7
2.2 流體的可壓縮性和膨脹性 7
2.2.1 流體的可壓縮性 7
2.2.2 流體的膨脹性 7
2.3 流體的黏性 8
2.3.1 黏性產(chǎn)生的原因 8
2.3.2 牛頓內(nèi)摩擦定律 9
2.3.3 理想流體和黏性流體 10
2.4 液體的表面性質(zhì) 12
2.4.1 表面張力 12
2.4.2 毛細現(xiàn)象 12
習題 13
第3章 流體靜力學 15
3.1 靜止壓強的特性 15
3.2 靜止流場的基本方程 16
3.2.1 流體平衡微分方程 16
3.2.2 壓差方程 17
3.3 重力場中靜止壓強的分布 18
3.3.1 壓強方程 18
3.3.2 壓強分布 19
3.3.3 壓強測量 19
3.4 慣性力場中的靜止流體 22
3.4.1 勻加速直線運動 22
3.4.2 等角速度轉動 24
3.5 靜止流體作用在壁面上的力 26
3.5.1 作用在平面上的力 26
3.5.2 作用在曲面上的力 28
3.5.3 浮力及浸沒物體的穩(wěn)定性 30
習題 31
第4章 流體動力學 35
4.1 流體運動的描述方法 35
4.1.1 拉格朗日法 35
4.1.2 歐拉法 35
4.1.3 拉格朗日法與歐拉法的關系 36
4.1.4 物理量的時間導數(shù)(偏導數(shù)、全導數(shù)、隨體導數(shù)的物理意義) 37
4.2 流場的分類 38
4.2.1 定常與非定常 38
4.2.2 均勻與非均勻 38
4.2.3 流動的維數(shù) 38
4.3 跡線、流線 39
4.3.1 跡線 39
4.3.2 流線 39
4.4 流管、流束、流量、凈通量、平均流速與當量直徑 41
4.4.1 流管與流束 41
4.4.2 流量與凈通量 41
4.4.3 平均流速 42
4.4.4 當量直徑 42
4.5 控制方程 43
4.5.1 系統(tǒng)和控制體 43
4.5.2 輸運公式 43
4.5.3 連續(xù)性方程 45
4.5.4 動量方程 45
4.5.5 能量方程 46
習題 47
第5章 相似原理和量綱分析 51
5.1 流動的力學相似 51
5.2 動力相似準則 52
5.2.1 牛頓相似準則 52
5.2.2 重力相似準則 52
5.2.3 黏性力相似準則 53
5.2.4 壓力相似準則 53
5.2.5 表面張力相似準則 54
5.3 近似的模型實驗 54
5.4 量綱分析法 56
習題 58
第6章 黏性流體流動 60
6.1 流體的兩種狀態(tài) 60
6.2 黏性流體流動的邊界層 61
6.3 管道進口段黏性流體的流動 62
6.4 圓管中黏性流體的層流流動 63
6.5 圓管中黏性流體的紊流流動 66
6.5.1 紊流光滑管情況 67
6.5.2 紊流粗糙管情況 69
6.6 黏性流體的損失 69
6.6.1 沿程損失計算 69
6.6.2 局部損失計算 71
習題 74
第2篇 工程熱力學
第7章 工程熱力學概述 77
7.1 熱力學簡介 77
7.2 熱力學及涉及領域 77
7.3 工程熱力學的主要研究內(nèi)容及方法 78
7.3.1 工程熱力學的主要研究內(nèi)容 78
7.3.2 工程熱力學的研究方法 78
第8章 工程熱力學基本概念 79
8.1 熱力系統(tǒng) 79
8.2 狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù) 80
8.2.1 狀態(tài)參數(shù)的特征 80
8.2.2 溫度 80
8.2.3 壓力 80
8.2.4 比體積及密度 82
8.3 平衡狀態(tài)、狀態(tài)方程式、坐標圖 82
8.4 工質(zhì)的狀態(tài)變化過程 83
8.4.1 準平衡過程 83
8.4.2 可逆過程和不可逆過程 84
8.5 過程功和熱量 84
8.5.1 可逆過程的功 84
8.5.2 有用功 85
8.5.3 過程熱量 85
8.6 熱力循環(huán) 86
習題 87
第9章 熱力學 定律及其應用 89
9.1 熱力學 定律的實質(zhì)及表達式 89
9.2 閉口系統(tǒng)中熱力學 定律的表述 89
9.2.1 熱力學能和總能 89
9.2.2 閉口系統(tǒng)的能量方程式 90
9.3 開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動的能量方程式 91
9.3.1 推動功和流動功 91
9.3.2 焓 91
9.3.3 穩(wěn)定流動的特征 92
9.3.4 穩(wěn)定流動的能量方程式 92
9.4 技術功 93
9.4.1 技術功的定義 93
9.4.2 可逆過程中的技術功 94
9.5 穩(wěn)定流動能量方程式的應用 95
9.5.1 熱交換器 96
9.5.2 動力機械 96
9.5.3 管道 96
9.5.4 熱節(jié)流 96
習題 97
0章 理想氣體的性質(zhì)與熱力過程 99
10.1 理想氣體的性質(zhì) 99
10.1.1 理想氣體的概念 99
10.1.2 理想氣體的狀態(tài)方程 99
10.1.3 理想氣體的比熱容 100
10.1.4 理想氣體的熱力學能、焓和熵 104
10.2 混合理想氣體 106
10.2.1 混合理想氣體的基本定律 106
10.2.2 混合氣體的成分 106
10.2.3 混合理想氣體的比熱容、熱力學能和焓 107
10.3 理想氣體的熱力過程 109
10.3.1 研究熱力過程的目的及一般方法 109
10.3.2 理想氣體的基本熱力過程 109
10.3.3 多變過程 116
10.4 氣體的壓縮過程 121
10.4.1 單級活塞式壓氣機的工作原理 121
10.4.2 多級壓縮和級間冷卻 122
10.4.3 單級活塞式壓氣機的實際過程 123
10.5 氣體在噴管中的流動過程 127
10.5.1 穩(wěn)定流動中的基本方程式 127
10.5.2 噴管截面的變化規(guī)律 128
10.5.3 噴管的計算 129
習題 133
1章 熱力學第二定律 136
11.1 自發(fā)過程的方向性與熱力學第二定律的表述 136
11.1.1 自發(fā)過程的方向性 136
11.1.2 熱力學第二定律的表述 136
11.2 卡諾循環(huán)與卡諾定理 137
11.2.1 卡諾循環(huán) 137
11.2.2 卡諾定理 138
11.3 熱力學第二定律的數(shù)學表達式 140
11.3.1 克勞修斯不等式 140
11.3.2 熵的導出 142
11.3.3 不可逆過程的熵變 143
11.4 孤立系統(tǒng)熵增原理 145
11.4.1 孤立系統(tǒng)的熵增原理 145
11.4.2 做功能力的損失 147
習題 148
2章 水蒸氣的熱力性質(zhì) 150
12.1 水的定壓加熱汽化過程 150
12.2 水和水蒸氣的狀態(tài)參數(shù) 151
12.2.1 水蒸氣表 151
12.2.2 水蒸氣圖 154
12.3 水蒸氣的基本過程 155
習題 157
3章 動力循環(huán) 159
13.1 蒸汽動力裝置循環(huán) 159
13.1.1 蘭金循環(huán) 159
13.1.2 蘭金循環(huán)分析 159
13.1.3 蒸汽參數(shù)對循環(huán)的影響 161
13.1.4 提高蒸汽動力循環(huán)效率的其他措施 162
13.2 活塞式內(nèi)燃機的實際循環(huán) 164
13.2.1 活塞式內(nèi)燃機的理想循環(huán) 164
13.2.2 活塞式內(nèi)燃機的理想循環(huán)的分析 165
13.2.3 活塞式內(nèi)燃機各種理想循環(huán)的熱力學比較 168
13.3 燃氣輪機裝置的循環(huán) 169
13.3.1 燃氣輪機裝置簡介 169
13.3.2 燃氣輪機裝置定壓加熱理想循環(huán)―布雷頓循環(huán) 170
習題 172
4章 制冷循環(huán) 174
14.1 空氣壓縮式制冷循環(huán) 174
14.2 蒸汽壓縮式制冷循環(huán) 176
14.3 吸收式制冷循環(huán) 178
14.4 熱泵 179
習題 179
第3篇 傳 熱 學
5章 傳熱學概述 181
15.1 傳熱學研究內(nèi)容 181
15.1.1 傳熱學研究對象和任務 181
15.1.2 傳熱學在科學技術和工程中的應用 181
15.2 熱量傳遞的三種基本方式 182
15.2.1 熱傳導 183
15.2.2 熱對流 184
15.2.3 熱輻射 185
15.2.4 傳熱過程 186
15.2.5 傳熱熱阻 188
15.3 傳熱學的研究方法 189
習題 190
6章 穩(wěn)態(tài)熱傳導 192
16.1 概述 192
16.1.1 熱傳導的物理機理 192
16.1.2 熱傳導的基本定律 192
16.1.3 導熱系數(shù) 194
16.2 熱傳導微分方程 195
16.2.1 熱傳導微分方程推導 195
16.2.2 邊界條件和初始條件 198
16.3 一維穩(wěn)態(tài)熱傳導問題 200
16.3.1 平壁 200
16.3.2 圓筒壁 203
16.3.3 球殼 206
16.4 肋片熱傳導問題 207
16.4.1 肋片的傳熱 207
16.4.2 通過等截面直肋的熱傳導 207
16.4.3 肋效率 210
習題 211
7章 非穩(wěn)態(tài)熱傳導 212
17.1 非穩(wěn)態(tài)熱傳導概述 212
17.1.1 兩類非穩(wěn)態(tài)熱傳導 212
17.1.2 非穩(wěn)態(tài)熱傳導的數(shù)學描述 213
17.2 零維非穩(wěn)態(tài)熱傳導―集中參數(shù)法 215
17.2.1 集中參數(shù)法 215
17.2.2 集中參數(shù)法的判別條件 217
17.2.3 畢奧數(shù)BiV與傅里葉數(shù)FoV的物理意義 218
17.3 典型一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導問題 218
17.3.1 無限大平板的分析解 219
17.3.2 分析解的討論 220
17.3.3 諾謨圖 221
17.3.4 分析解應用范圍的推廣及討論 223
習題 224
8章 對流傳熱 225
18.1 對流傳熱概述 225
18.1.1 局部和平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 225
18.1.2 傳熱微分方程式 225
18.1.3 對流傳熱的影響因素 226
18.1.4 對流傳熱現(xiàn)象的分類 227
18.1.5 對流傳熱的研究方法 227
18.2 對流傳熱微分方程組 229
18.2.1 連續(xù)性方程 229
18.2.2 動量微分方程 229
18.2.3 能量微分方程 230
18.2.4 對流傳熱問題完整的數(shù)學描述 231
18.3 邊界層與邊界層傳熱微分方程組 232
18.3.1 流動邊界層 232
18.3.2 熱邊界層 232
18.3.3 普朗特數(shù) 233
18.3.4 邊界層傳熱微分方程組 234
18.4 對流傳熱的實驗研究 236
18.4.1 相似原理 236
18.4.2 特征數(shù)的獲取方法 237
18.4.3 特征數(shù)方程(實驗關聯(lián)式) 238
18.4.4 特征長度、定性溫度、特征速度 240
18.5 單相對流傳熱的實驗關聯(lián)式 241
18.5.1 管內(nèi)強迫對流傳熱的實驗關聯(lián)式 241
18.5.2 流體外掠平板對流傳熱 248
18.5.3 橫掠單管對流傳熱 250
18.5.4 流體橫掠管束的實驗關聯(lián)式 253
18.6 相變對流傳熱 256
18.6.1 凝結和沸騰傳熱的特點 256
18.6.2 凝結傳熱 256
18.6.3 沸騰傳熱 257
18.6.4 強化傳熱 257
習題 258
9章 熱輻射基礎理論 260
19.1 概述 260
19.1.1 熱輻射的基本概念 260
19.1.2 熱輻射的基本特性 260
19.1.3 幾種熱輻射的理想物體 262
19.1.4 兩個重要的輻射參數(shù) 263
19.2 黑體輻射基本定律 264
19.2.1 普朗克定律和維恩位移定律 264
19.2.2 斯特藩-玻耳茲曼定律 265
19.2.3 蘭 定律 266
19.3 實際物體的輻射特性 268
19.3.1 輻射力 268
19.3.2 定向輻射強度 269
19.4 實際物體的吸收特性 270
19.4.1 吸收比 270
19.4.2 灰體 271
19.4.3 基爾霍夫定律 272
習題 274
第20章 輻射傳熱計算 276
20.1 角系數(shù) 276
20.1.1 角系數(shù)的定義 276
20.1.2 角系數(shù)的性質(zhì) 276
20.1.3 角系數(shù)的計算方法 277
20.2 兩表面封閉系統(tǒng)的輻射傳熱 281
20.2.1 兩黑體表面間的輻射傳熱 281
20.2.2 有效輻射 281
20.2.3 表面輻射熱阻與空間輻射熱阻 282
20.2.4 兩個灰體表面組成的封閉系統(tǒng)的輻射傳熱 283
20.3 多個灰體表面組成的封閉系統(tǒng)的輻射傳熱 285
習題 287
第21章 換熱器的傳熱計算 289
21.1 換熱器簡介 289
21.1.1 換熱器的定義 289
21.1.2 換熱器的分類 289
21.2 換熱器傳熱過程分析及計算 291
21.2.1 傳熱系數(shù)的確定 291
21.2.2 換熱器中傳熱平均溫差的計算 295
21.3 換熱器強化傳熱技術 296
21.3.1 強化傳熱的目的及意義 296
21.3.2 強化傳熱的任務 296
21.3.3 換熱器中強化傳熱的途徑 297
習題 297
附錄 299
參考文獻 321