流体力学与热工学

本书内容包括流体力学、工程热力学和传热学三大部分。流体力学部分包括流体力学概述、流体的属性、流体静力学、流体动力学、相似原理和量纲分析、黏性流体流动。工程热力学部分包括工程热力学概述、工程热力学基本概念、热力学第一定律及其应用、理想气体的性质与热力过程、热力学第二定律、水蒸气的热力性质、动力循环、制冷循环。传热学部分包括传热学概述、稳态热传导、非稳态热传导、对流传热、热辐射基础理论、辐射传热计算、换热器的传热计算。
本书可作为智能制造专业和机械工程专业的教材，也可供暖通空调等相关专业的工程技术人员参考。

何燕，教授、博士生导师、泰山学者特聘专家、山东省教学名师、中国石油和化学工业联合会青年科技突出贡献奖获得者、中国橡胶行业时代精英、青岛市拔尖人才、青岛市政府特殊津贴专家、山东省优秀硕士生导师、山东省优秀学士学位指导教师、动力工程及工程热物理博士点一级学科学术带头人、中国科学院《科学通报》编委、中国工程热物理学会传热传质青委会委员、中国智能制造产业技术创新联盟常务理事等。

第1篇流体力学
第1章流体力学概述1
1.1流体力学的范畴1
1.1.1定义和特征1
1.1.2连续介质模型1
1.1.3研究内容2
1.2流体力学与生活、工程技术的关系2
1.2.1流体力学与生活的关系2
1.2.2流体力学与工程技术的关系3
1.3流体力学的发展历史3
1.4流体力学的研究方法5
第2章流体的属性6
2.1流体的基本属性6
2.1.1密度6
2.1.2重度6
2.1.3比容7
2.1.4气体的状态方程7
2.2流体的可压缩性和膨胀性7
2.2.1流体的可压缩性7
2.2.2流体的膨胀性7
2.3流体的黏性8
2.3.1黏性产生的原因8
2.3.2牛顿内摩擦定律9
2.3.3理想流体和黏性流体10
2.4液体的表面性质12
2.4.1表面张力12
2.4.2毛细现象12
习题13
第3章流体静力学15
3.1静止压强的特性15
3.2静止流场的基本方程16
3.2.1流体平衡微分方程16
3.2.2压差方程17
3.3重力场中静止压强的分布18
3.3.1压强方程18
3.3.2压强分布19
3.3.3压强测量19
3.4惯性力场中的静止流体22
3.4.1匀加速直线运动22
3.4.2等角速度转动24
3.5静止流体作用在壁面上的力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浮力及浸没物体的稳定性30
习题31
第4章流体动力学35
4.1流体运动的描述方法35
4.1.1拉格朗日法35
4.1.2欧拉法35
4.1.3拉格朗日法与欧拉法的关系36
4.1.4物理量的时间导数(偏导数、全导数、随体导数的物理意义)37
4.2流场的分类38
4.2.1定常与非定常38
4.2.2均匀与非均匀38
4.2.3流动的维数38
4.3迹线、流线39
4.3.1迹线39
4.3.2流线39
4.4流管、流束、流量、净通量、平均流速与当量直径41
4.4.1流管与流束41
4.4.2流量与净通量41
4.4.3平均流速42
4.4.4当量直径42
4.5控制方程43
4.5.1系统和控制体43
4.5.2输运公式43
4.5.3连续性方程45
4.5.4动量方程45
4.5.5能量方程46
习题47
第5章相似原理和量纲分析51
5.1流动的力学相似51
5.2动力相似准则52
5.2.1牛顿相似准则52
5.2.2重力相似准则52
5.2.3黏性力相似准则53
5.2.4压力相似准则53
5.2.5表面张力相似准则54
5.3近似的模型实验54
5.4量纲分析法56
习题58
第6章黏性流体流动60
6.1流体的两种状态60
6.2黏性流体流动的边界层61
6.3管道进口段黏性流体的流动62
6.4圆管中黏性流体的层流流动63
6.5圆管中黏性流体的紊流流动66
6.5.1紊流光滑管情况67
6.5.2紊流粗糙管情况69
6.6黏性流体的损失69
6.6.1沿程损失计算69
6.6.2局部损失计算71
习题74
第2篇工程热力学
第7章工程热力学概述77
7.1热力学简介77
7.2热力学及涉及领域77
7.3工程热力学的主要研究内容及方法78
7.3.1工程热力学的主要研究内容78
7.3.2工程热力学的研究方法78
第8章工程热力学基本概念79
8.1热力系统79
8.2状态及状态参数80
8.2.1状态参数的特征80
8.2.2温度80
8.2.3压力80
8.2.4比体积及密度82
8.3平衡状态、状态方程式、坐标图82
8.4工质的状态变化过程83
8.4.1准平衡过程83
8.4.2可逆过程和不可逆过程84
8.5过程功和热量84
8.5.1可逆过程的功84
8.5.2有用功85
8.5.3过程热量85
8.6热力循环86
习题87
第9章热力学第一定律及其应用89
9.1热力学第一定律的实质及表达式89
9.2闭口系统中热力学第一定律的表述89
9.2.1热力学能和总能89
9.2.2闭口系统的能量方程式90
9.3开口系统稳定流动的能量方程式91
9.3.1推动功和流动功91
9.3.2焓91
9.3.3稳定流动的特征92
9.3.4稳定流动的能量方程式92
9.4技术功93
9.4.1技术功的定义93
9.4.2可逆过程中的技术功94
9.5稳定流动能量方程式的应用95
9.5.1热交换器96
9.5.2动力机械96
9.5.3管道96
9.5.4绝热节流96
习题97
第10章理想气体的性质与热力过程99
10.1理想气体的性质99
10.1.1理想气体的概念99
10.1.2理想气体的状态方程99
10.1.3理想气体的比热容100
10.1.4理想气体的热力学能、焓和熵104
10.2混合理想气体106
10.2.1混合理想气体的基本定律106
10.2.2混合气体的成分106
10.2.3混合理想气体的比热容、热力学能和焓107
10.3理想气体的热力过程109
10.3.1研究热力过程的目的及一般方法109
10.3.2理想气体的基本热力过程109
10.3.3多变过程116
10.4气体的压缩过程121
10.4.1单级活塞式压气机的工作原理121
10.4.2多级压缩和级间冷却122
10.4.3单级活塞式压气机的实际过程123
10.5气体在喷管中的流动过程127
10.5.1稳定流动中的基本方程式127
10.5.2喷管截面的变化规律128
10.5.3喷管的计算129
习题133
第11章热力学第二定律136
11.1自发过程的方向性与热力学第二定律的表述136
11.1.1自发过程的方向性136
11.1.2热力学第二定律的表述136
11.2卡诺循环与卡诺定理137
11.2.1卡诺循环137
11.2.2卡诺定理138
11.3热力学第二定律的数学表达式140
11.3.1克劳修斯不等式140
11.3.2熵的导出142
11.3.3不可逆过程的熵变143
11.4孤立系统熵增原理145
11.4.1孤立系统的熵增原理145
11.4.2做功能力的损失147
习题148
第12章水蒸气的热力性质150
12.1水的定压加热汽化过程150
12.2水和水蒸气的状态参数151
12.2.1水蒸气表151
12.2.2水蒸气图154
12.3水蒸气的基本过程155
习题157
第13章动力循环159
13.1蒸汽动力装置循环159
13.1.1兰金循环159
13.1.2兰金循环分析159
13.1.3蒸汽参数对循环的影响161
13.1.4提高蒸汽动力循环效率的其他措施162
13.2活塞式内燃机的实际循环164
13.2.1活塞式内燃机的理想循环164
13.2.2活塞式内燃机的理想循环的分析165
13.2.3活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较168
13.3燃气轮机装置的循环169
13.3.1燃气轮机装置简介169
13.3.2燃气轮机装置定压加热理想循环―布雷顿循环170
习题172
第14章制冷循环174
14.1空气压缩式制冷循环174
14.2蒸汽压缩式制冷循环176
14.3吸收式制冷循环178
14.4热泵179
习题179
第3篇传热学
第15章传热学概述181
15.1传热学研究内容181
15.1.1传热学研究对象和任务181
15.1.2传热学在科学技术和工程中的应用181
15.2热量传递的三种基本方式182
15.2.1热传导183
15.2.2热对流184
15.2.3热辐射185
15.2.4传热过程186
15.2.5传热热阻188
15.3传热学的研究方法189
习题190
第16章稳态热传导192
16.1概述192
16.1.1热传导的物理机理192
16.1.2热传导的基本定律192
16.1.3导热系数194
16.2热传导微分方程195
16.2.1热传导微分方程推导195
16.2.2边界条件和初始条件198
16.3一维稳态热传导问题200
16.3.1平壁200
16.3.2圆筒壁203
16.3.3球壳206
16.4肋片热传导问题207
16.4.1肋片的传热207
16.4.2通过等截面直肋的热传导207
16.4.3肋效率210
习题211
第17章非稳态热传导212
17.1非稳态热传导概述212
17.1.1两类非稳态热传导212
17.1.2非稳态热传导的数学描述213
17.2零维非稳态热传导―集中参数法215
17.2.1集中参数法215
17.2.2集中参数法的判别条件217
17.2.3毕奥数BiV与傅里叶数FoV的物理意义218
17.3典型一维非稳态热传导问题218
17.3.1无限大平板的分析解219
17.3.2分析解的讨论220
17.3.3诺谟图221
17.3.4分析解应用范围的推广及讨论223
习题224
第18章对流传热225
18.1对流传热概述225
18.1.1局部和平均表面传热系数225
18.1.2传热微分方程式225
18.1.3对流传热的影响因素226
18.1.4对流传热现象的分类227
18.1.5对流传热的研究方法227
18.2对流传热微分方程组229
18.2.1连续性方程229
18.2.2动量微分方程229
18.2.3能量微分方程230
18.2.4对流传热问题完整的数学描述231
18.3边界层与边界层传热微分方程组232
18.3.1流动边界层232
18.3.2热边界层232
18.3.3普朗特数233
18.3.4边界层传热微分方程组234
18.4对流传热的实验研究236
18.4.1相似原理236
18.4.2特征数的获取方法237
18.4.3特征数方程(实验关联式)238
18.4.4特征长度、定性温度、特征速度240
18.5单相对流传热的实验关联式241
18.5.1管内强迫对流传热的实验关联式241
18.5.2流体外掠平板对流传热248
18.5.3横掠单管对流传热250
18.5.4流体横掠管束的实验关联式253
18.6相变对流传热256
18.6.1凝结和沸腾传热的特点256
18.6.2凝结传热256
18.6.3沸腾传热257
18.6.4强化传热257
习题258
第19章热辐射基础理论260
19.1概述260
19.1.1热辐射的基本概念260
19.1.2热辐射的基本特性260
19.1.3几种热辐射的理想物体262
19.1.4两个重要的辐射参数263
19.2黑体辐射基本定律264
19.2.1普朗克定律和维恩位移定律264
19.2.2斯特藩-玻耳兹曼定律265
19.2.3兰贝特定律266
19.3实际物体的辐射特性268
19.3.1辐射力268
19.3.2定向辐射强度269
19.4实际物体的吸收特性270
19.4.1吸收比270
19.4.2灰体271
19.4.3基尔霍夫定律272
习题274
第20章辐射传热计算276
20.1角系数276
20.1.1角系数的定义276
20.1.2角系数的性质276
20.1.3角系数的计算方法277
20.2两表面封闭系统的辐射传热281
20.2.1两黑体表面间的辐射传热281
20.2.2有效辐射281
20.2.3表面辐射热阻与空间辐射热阻282
20.2.4两个灰体表面组成的封闭系统的辐射传热283
20.3多个灰体表面组成的封闭系统的辐射传热285
习题287
第21章换热器的传热计算289
21.1换热器简介289
21.1.1换热器的定义289
21.1.2换热器的分类289
21.2换热器传热过程分析及计算291
21.2.1传热系数的确定291
21.2.2换热器中传热平均温差的计算295
21.3换热器强化传热技术296
21.3.1强化传热的目的及意义296
21.3.2强化传热的任务296
21.3.3换热器中强化传热的途径297
习题297
附录299
参考文献321