本书致力于辅助工程师用于化学反应流过程的设计与优化。第1～7章严格推导了流体动力学所涉及的控制方程，并在边界层流动中对其进行了简化。第8～12章给出了确定热力学和传递性质的方法，并且讨论了均相与非均相化学反应的速率表达式。第13、14章描述了化学反应机制的开发过程，对个别的反应给出了系统的描述。第15章提供了一些数值求解中所用的储备知识，以解决化学反应应用中常遇到的刚性非线性问题。第16、17章讨论了化学反应流的应用。
本书既可作为化学工程等相关领域的参考书籍，也可作为高等学校教材使用。

第3章守恒方程

全面理解物理守恒定律对成功分类、求解并应用其结论是很重要的。因此本章我们从质量、动量、热能和化学物质组分守恒的控制方程推导开始。推导过程基于流体力学的观点，读者会发现本章这些内容会与黏性流体力学教材中的内容有相当大的重叠。然而，我们会在两个方面与传统的表述有所不同。首先，因为主要考虑化学反应流，会保留很多在单**动中可以忽略的特性。其次，因为主要考虑轴对称流动，大部分数学表述是基于圆柱坐标系，而非笛卡儿坐标系。尽管这种选择增添了一些复杂性，但这能凸显那些会在笛卡儿坐标系中被忽视的重要问题。
我们的总���目标是处理欧拉坐标系下用空间坐标和时间作为自变量表述的偏微分方程形式的守恒方程。这种方法将用于系统的守恒定律的概念与固定在空间中有流体流过的控制体的行为联系起来。对于一个系统，即具有一定质量的流体，在其上能应用守恒定律，如质量守恒、动量守恒（F=ma）和能量（热力学**定律）守恒。但在实际情况下，追踪整个系统的流动和无数流体微团的相互作用是不可能的。幸运的是，如2.3节所讨论的，用随体导数的概念是可行的，它能定量地将系统的守恒定律与固定的控制体联系起来。
守恒定律通常基于很简单、很直观的概念。其表述为： 系统广延变量的积累速率等于通过系统边界面的净传递速率（流入减去流出）加上内部的净生成率（增加减去减少），即


dNdtsystem=(N·in-N·out)+N·gen（3.1）

对于一个含有固定质量的系统，必然不会有流体流进或流出系统。如果有的话，系统的质量就会改变，违反其定义。因此，N不能通过系统边界被“对流”。当然，我们相当清楚，流体流动能够传递质量、动量和能量，流体的这些行为必须被重视。
对于某一瞬时占据固定于空间的控制体上的系统，随体导数提供了系统和控制体之间必需的联系：


dNdtsystem=ρDηDtδV=(N·in-N·out)+N·gen（3.2）

其中，δV代表控制体的体积。应该强调一下，N·代表通过控制面的“非流动”的传递，例如分子扩散过程。通过控制体表面的对流传递明显包含在随体导数中。
一般来说，我们要找寻的微分方程呈以下形式：


ρDηDt=∑n·i(η)（3.3）

其中，n·=N·/δV代表每单位体积的N的输运率。我们尽可能地将n·(η)以η的显函数与空间导数形式来表达，即找到从η作因变量的偏微分方程。

3.1质量连续性
一定体积流体的质量守恒方程在任何流动情况都是必需的。当N是质量m时，相关的强度变量（每单位质量的广延变量）是η=1。那就是说，η是单位质量1。在这种情况下，控制体内没有质量的产生和消耗。例如，化学反应中，可能产生或消耗个别的化学组分，但整体上，没有质量产生或消耗。**能通过控制体表面传递净质量的方法是通过对流。尽管个别物质会因分子运动通过控制体表面扩散，但在此过程中也不会有净质量传递。这部分内容会在后面的质量传递章节中深入讨论。
我们注意到，两相流中对于某一给定相会有源项和汇项。例如，考虑水滴在潮湿的空气中的蒸发过程。对于液相和蒸汽相都能写出质量守恒方程。液体转变为蒸汽（反之亦然）会形成源项，即在某一相中有物质的产生（或消耗）。当然，在相与相之间，质量一定是守恒的，没有质量的净产生和净消耗。
由于质量连续方程已经在式（3.2）的随体导数形式的导数中使用了，它就对直接推导连续方程本身不再有直接作用。质量守恒方程的应用只能简单地得到一个不重要的等式。作为替代，我们从已经得出的积分形式的式（2.30）出发得到


dmdtsystem=∫CVρt+·ρVdV=0（3.4）

假设一个无限小的微元控制体，假设被积函数在控制体内是相同的，那么，连续性方程就能被写成微分方程形式，如：


ρt+·ρV=0（3.5）

连续性方程更常见的形式是引入密度的随体导数。使用随体导数的定义，表示为


DρDt=ρt+V·(ρ)=ρt+(V·)ρ（3.6）

以及乘积求微分的链式法则


·(ρV)=ρ·V+V·(ρ)=ρ·V+(V·)ρ（3.7）

连续性方程可被写成包含随体导数的形式，如


DρDt+ρ·V=0（3.8）

在上边的等式中，要注意到


V·(ρ)=def(V·)ρ（3.9）

是可交换使用的。等号右边的形式在流体力学文献中是*常见的，但左边的形式可能更容易理解。
对不可压缩流体，ρ是常数，根据式（3.8），很明显，速度场的散度为零，即


·V=0（3.10）

这在2.7节中讨论过，并且不可压缩流体也不会有净体积缩胀：


1VDVDt=·V（3.11）

尽管不可压缩流体很容易变形，但它的体积并不发生改变。
在圆柱坐标系中，用随体导数的定义，连续性方程可给定为


ρt+ρuz+1rrρvr+1rρwθ=0（3.12）

这是一个具有双曲线特性的一阶微分方程。

3.1.1流函数
对于稳态（不随时间变化）的二维流动，流函数的概念有很大的实用性。流函数的推导恰好满足连续性方程。在圆柱坐标中，有两种二维情况值得研究： rz平面，称为轴对称坐标，以及rθ平面，称为极坐标。
流函数的物理意义是流体沿着流线流动，流线即等流函数线。由于根据定义，流动不能穿过流线，因此任意两条流线之间的质量流量为常数。此外，两条流线之间流量的大小是由这两条流线上的流函数的数值不同决定的。

第1章绪论

1.1目标与方法

1.2范围

1.3应用实例

第2章流体动力学

2.1什么是流体

2.2守恒方程

2.3系统和控制体

2.4应力和应变率

2.5流体应变率

2.6涡量

2.7缩胀作用

2.8应力张量

2.9斯托克斯理论基础

2.10主坐标系变换

2.11斯托克斯假设

2.12小结

习题

第3章守恒方程

3.1质量连续性

3.2对状态方程的简单讨论

3.3有关黏度的简单讨论

3.4纳维斯托克斯方程

3.5对组分扩散的简单讨论

3.6组分守恒

3.7对导热系数的简单讨论

3.8能量守恒

3.9机械能

3.10热能

3.11理想气体和不可压缩流体

3.12守恒方程总结

3.13压力过滤

3.14数学特性

3.15总结

习题

ⅩⅩⅧ
第4章平行流

4.1物理问题的无量纲化

4.2库埃特流和泊肃叶流

4.3圆形管道中的哈根泊肃叶流

4.4非圆截面管道

4.5水力进口段长度

4.6管道中的瞬态流动

4.7理查森环形过冲

4.8斯托克斯问题

4.9无限介质中的旋转棒

4.10格雷茨问题

习题

第5章相似与局部相似

5.1JefferyHamel流

5.2平面楔形流道

5.3径向流反应器

5.4倾斜圆盘间的球面流

5.5平行圆盘间的径向流

5.6在有壁面射流的平行平板间的流动

5.7曲线坐标系

习题

第6章滞止流

6.1轴对称滞止流的相似性

6.2一般的稳态轴对称滞止流

6.3半无限大域

6.4有限间隙滞止流

6.5数值解

6.6旋流

6.7有限间隙中的旋转流动

6.8轴对称滞止流的统一看法

6.9平面滞止流

6.10对冲流

6.11管流

习题

ⅩⅩⅨ
第7章管道流动

7.1边界层尺度参数

7.2边界层方程的基本假定

7.3边界条件

7.4Von Mises变换

7.5直线法简介

7.6管道边界层的DAEs形式

7.7一般Von Mises 边界层

7.8流体动力学入口长度

7.9局限性

7.10求解软件

习题

第8章统计热力学

8.1气体分子动理论

8.2分子能级

8.3玻尔兹曼分布

8.4配分函数

8.5统计热力学

8.6计算实例

习题

第9章质量作用动力学

9.1吉布斯自由能

9.2平衡常数

9.3质量作用定律

9.4单分子反应与压力的关系

9.5双分子化学活化反应

习题

ⅩⅩⅩ
第10章反应速率理论

10.1分子碰撞

10.2碰撞理论反应速率表达式

10.3过渡态理论

10.4单分子反应

10.5双分子化学活化反应

习题

第11章非均相化学反应

11.1分类法

11.2表面组分命名法

11.3相内浓度

11.4表面反应速率表达式

11.5热力学分析与讨论

11.6通用表面动力学表达式

11.7速率表达式的表面覆盖率修正

11.8黏附系数

11.9表面处通量条件

11.10表面组分控制方程

11.11开发表面反应机制

11.12反应机制示例

习题

第12章分子输运

12.1输运系数简介

12.2分子间相互作用

12.3输运特性的气体动力学理论

12.4输运特性严格理论

12.5输运系数的求解

12.6动量和能量通量

12.7组分通量

12.8扩散输运的例子

习题

第13章反应机制

13.1化学模型

13.2复杂反应的特征

13.3机制开发

习题

ⅩⅩⅪ
第14章高温反应

14.1氢的氧化

14.2一氧化碳的氧化

14.3碳氢化合物的氧化

14.4氮化学

14.5硫化学

14.6氯化学

习题

第15章刚性方程的数值求解

15.1化学动力学中的微分方程

15.2刚性模型问题

15.3求解方法

15.4微分代数方程

15.5非线性代数方程的求解

15.6瞬态敏感性分析

15.7瞬态点火案例

习题

第16章零维与一维系统

16.1间歇式反应器（均相反应动力学）

16.2柱塞流反应器

16.3变横截面积以及壁面反应下的柱塞流分析

16.4全混流反应器

16.5瞬态混流反应器

16.6平面预混火焰

16.7预混火焰结构

16.8甲烷空气预混火焰

习题

第17章二维系统

17.1滞止流化学气相沉积

17.2边界层旁路

17.3滞止火焰

17.4对冲扩散火焰

17.5预混对冲流火焰

17.6弧长连续法

17.7瞬态滞止流动

17.8化学反应通道流动

习题

ⅩⅩⅫ
附录A向量与张量运算

附录B纳维斯托克斯方程

附录C边界层问题

附录D在Excel中解微分方程

附录EChemkin方法

参考文献

索引