本教材着重介绍材料生产过程中所涉及的热工基本理论及相关设备,主要包括流体力学、传热学、传质原理、干燥过程与设备、燃料及其燃烧。该教材注重介绍热工理论的研究方法与解决问题的思路,使学生加深对理论的理解与应用,培养和提高学生分析与解决问题的能力。
本教材可作为高等院校材料学专业的师生教学使用,也可供从事相关专业的工程技术人员等参考。

1 流体力学及流体输送设备
1.1 概述
1.1.1 流体力学的研究内容、研究方法及应用
流体力学是研究流体(包括液体、气体)的平衡与宏观运动规律以及流体与周围物体之间相互作用的科学,是近代力学的一大分支。它研究流体平衡的条件及其压强分布规律;研究流体运动的基本规律;研究流体流过某通道时的速度分布、压强分布和能量损失;研究流体与周围物体之间的相互作用。
目前研究流体力学问题的方法概括起来共有三种:实验研究法、理论分析法和数值计算法。
实验研究法是根据所给定的问题,准备实验条件,制订实验方案并进行实验,然后整理和分析实验结果,并与其他方法或其他著作所得结果进行比较,*后得出结论。实验研究法是流体力学发展过程中*早使���的一种方法。例如,我国墨子(约公元前468~前376年)对浮力原理的初步探讨,公元前300年我国都江堰灌渠工程的治水经验等。实验研究法可以直接解决生产中的复杂问题,实验结果可靠。但对于一些复杂问题,如大气环流、碳酸盐油田的渗流等,则无法在实验室内进行实验研究。
理论分析法一般是在实践与实验的基础上对运动流体提出合理的假设,建立简化的力学模型,再根据物理与一般力学中的原理与定理,建立基本方程,根据边界条件及初始条件求数学解析解,并与实验结果作比较。该方法推导严谨,结果**,但只局限于比较简单的理论模型。对于复杂的流体力学问题,理论分析法无能为力,只能用理论指导下的实验研究或数值计算方法进行研究。
数值计算方法是随着计算方法及电子计算机技术的发展而发展起来的,它是在理论分析的基础上,采用数值计算方法,通过编制计算机程序求解基本方程,得出趋近于解析解的近似解。数值计算方法可以求解许多理论分析法无法完全解决的问题,而且可以大大节省实验研究的时间和经费。但它的数学模型必须以理论分析和实验研究为基础,而且往往难于包括实际流动的所有物理特性。
理论分析、实验研究和数值计算三种方法各有利弊,相辅相成。理论指导实验研究和数值计算,使之富有成效,少出偏差;实验用来检验理论分析和数值计算结果的正确性,提供建立理论模型和研究流动规律的依据;数值计算可以弥补理论分析和实验研究的不足,对复杂的流体力学问题进行既快又省的计算分析。这三种方法的综合应用,必将进一步促进流体力学的飞速发展。
流体力学在日常生活及许多工业技术中有着广泛的应用,如在航空、化工、动力、水利、材料、冶金等工业部门中均占有重要的地位。无机非金属材料工业中的许多问题,如窑炉内气体的流动、风机等流体机械的选型、设计等,都离不开流体力学的基本理论。因此,流体力学是许多工业技术部门必须应用和研究的一门重要科学。
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1 流体力学及流体输送设备
1.1 概述
1.1.1 流体力学的研究内容、研究方法及应用
1.1.2 流体的概念
1.1.3 连续介质模型
1.1.4 流体的主要物理性质
1.2 流体静力学
1.2.1 作用在流体上的力
1.2.2 压强的计算基准与量度单位
1.2.3 流体的静压强及其特性
1.2.4 流体平衡微分方程
1.2.5 压强的静力学测量方法
1.3 流体动力学基础
1.3.1 流体流动描述方法
1.3.2 流体流动的基本概念
1.3.3 连续性方程
1.3.4 理想流体运动微分方程
1.3.5 伯努利方程式及其应用
1.3.6 动量方程
1.4 流体流动的阻力和能量损失
1.4.1 沿程损失与局部损失
1.4.2 黏性流体的两种流动状态
1.4.3 管中的层流流动与湍流流动
1.4.4 边界层流动
1.4.5 沿程阻力系数
1.4.6 局部阻力系数
1.4.7 气体通过散料层的阻力
1.4.8 气体通过管束的阻力
1.5 管路计算基础
1.5.1 简单管路计算
1.5.2 串联管路计算
1.5.3 并联管路计算
1.5.4 管网计算基础
1.6 窑炉系统内气体的流动
1.6.1 不可压缩气体的流动
1.6.2 可压缩气体的流动
1.6.3 流股及流股作用下窑内气体运动
1.7 相似理论
1.7.1 力学相似条件
1.7.2 相似准则
1.7.3 相似定理
1.7.4 模型试验
1.7.5 因次分析法
1.8 流体输送设备
1.8.1 风机与泵
1.8.2 烟囱
1.8.3 喷射器
习题与思考题
2 传热学
2.1 热传导(导热)
2.1.1 基本概念
2.1.2 导热基本定律
2.1.3 热导率
2.1.4 导热微分方程
2.1.5 导热过程的单值性条件
2.1.6 稳态导热
2.1.7 接触热阻
2.1.8 非稳态导热
2.1.9 导热问题的数值计算
2.2 对流传热
2.2.1 对流传热的基本概念
2.2.2 对流传热基本定律
2.2.3 对流传热问题的数学描述
2.2.4 对流传热过程的相似分析
2.2.5 流体自然对流传热实验关联式
2.2.6 流体强迫对流传热
2.3 热辐射
2.3.1 热辐射的基本概念
2.3.2 热辐射的基本定律
2.3.3 物体间的辐射传热计算
2.3.4 气体辐射与火焰辐射
2.4 综合传热过程分析与计算
2.4.1 通过平壁的传热过程计算
2.4.2 通过圆筒壁的传热过程计算
2.5 换热器
2.5.1 换热器的类型
2.5.2 换热器的传热计算
2.5.3 换热器发展情况
习题与思考题
3 传质原理
3.1 传质的基本概念
3.1.1 浓度的表示方法
3.1.2 成分的表示方法
3.1.3 扩散速度
3.1.4 扩散通量
3.2 分子扩散基本定律
3.2.1 菲克扩散定律一等摩尔逆扩散定律
3.2.2 斯蒂芬定律一单向扩散定律
3.2.3 扩散系数
3.3 对流传质
3.3.1 对流传质基本公式
3.3.2 浓度度边界层
3.3.3 对流传质微分方程
3.3.4 对流传质准数方程
习题与思考题
4 干燥过程与设备
4.1 概述
4.2 湿空气的性质
4.2.1 湿空气的主要参数
4.2.2 湿空气的h-X图
4.3 干燥过程的物料平衡与热量平衡
4.3.1 物料平衡
4.3.2 热量平衡
4.3.3 理论干燥过程和实际干燥过程
4.4 干燥过程
4.4.1 物料中水分的结合方式
4.4.2 物料干燥过程
4.4.3 影响干燥速率的因素
4.4.4 制品在干燥过程中的收缩与变形
4.5 干燥设备
4.5.1 转筒干燥器
4.5.2 隧道干燥器
4.5.3 流态干燥器
4.5.4 红外辐射式干燥器
4.5.5 高频及微波干燥
习题与思考题
5 燃料及其燃烧
5.1 燃料的种类和组成
5.1.1 燃料的种类
5.1.2 燃料的化学组成及成分表示方法
5.1.3 燃料的发热量(热值)
5.2 燃烧计算
5.2.1 空气需要量、燃烧产物量和燃烧产物组成的计算
5.2.2 空气过剩系数
5.2.3 燃烧温度的计算
5.3 燃烧过程的基本理论
5.3.1 燃烧的基本概念
5.3.2 可燃气体(H2、CO、CnHm)的燃烧
5.3.3 固定炭的燃烧
5.4 燃料的燃烧及燃烧装置
5.4.1 气体燃料的燃烧及燃烧装置
5.4.2 液体燃料的燃烧及燃烧装置
5.4.3 固体燃料的燃烧过程及燃烧装置
习题与思考题
附录
附录Ⅰ 干空气的热物理性质(P=101kPa)
附录Ⅱ 在大气压力(p=1.01×105Pa)下烟气的热物理性质
附录Ⅲ 常用管件和阀件局部阻力系数ξ值
附录Ⅳ IS型离心泵性能表
附录Ⅴ 4-68型离心式风机性能表
附录Ⅵ 金属材料的密度、比热容和热导率
附录Ⅶ 保温、建筑和其他材料的密度和热导率
附录Ⅷ 湿空气的相对湿度φ(%)表
附录Ⅸ 饱和水的热物理性质
附录Ⅹ 各种材料的黑度(发射率)ε
附录Ⅺ 湿空气的h-X图(插页)
附录Ⅻ 计算角系数和核算面积的公式及图
参考文献

本书在体系上把原来分散在《流体力学》和《热工基础》等不同教材中的内容融合在一起,主要介绍了材料生产过程中所涉及的热工基本理论及相关设备,具体包括流体力学、传热学、传质原理、干燥过程与设备、燃料及其燃烧,在篇幅允许的范围內,尽量介绍热工领域的新成果、新发展,以拓宽学生视野。该书可供各大专院校作为教材使用,也可供从事相关工作的人员作为参考用书使用。