Fluid Mechanics for Chemical Engineers with Microfluidics and Cfd

Fluid Mechanics for Chemical Engineers with Microfluidics and Cfd pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Prentice Hall
作者:Wilkes, James O.
出品人:
页数:784
译者:
出版时间:2005-9
价格:$ 162.72
装帧:HRD
isbn号码:9780131482128
丛书系列:
图书标签:
  • 流体力学
  • 流体 mechanics
  • 化学工程
  • 微流体
  • CFD
  • 传热
  • 流体动力学
  • 输运现象
  • 工程流体力学
  • 数值分析
  • 化工过程
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具体描述

The Chemical Engineer's Practical Guide to Contemporary Fluid Mechanics Since most chemical processing applications are conducted either partially or totally in the fluid phase, chemical engineers need a strong understanding of fluid mechanics. Such knowledge is especially valuable for solving problems in the biochemical, chemical, energy, fermentation, materials, mining, petroleum, pharmaceuticals, polymer, and waste-processing industries. Fluid Mechanics for Chemical Engineers, Second Edition, with Microfluidics and CFD, systematically introduces fluid mechanics from the perspective of the chemical engineer who must understand actual physical behavior and solve real-world problems. Building on a first edition that earned Choice Magazine's Outstanding Academic Title award, this edition has been thoroughly updated to reflect the field's latest advances. This second edition contains extensive new coverage of both microfluidics and computational fluid dynamics, systematically demonstrating CFD through detailed examples using FlowLab and COMSOL Multiphysics. The chapter on turbulence has been extensively revised to address more complex and realistic challenges, including turbulent mixing and recirculating flows. Part I offers a clear, succinct, easy-to-follow introduction to macroscopic fluid mechanics, including physical properties; hydrostatics; basic rate laws for mass, energy, and momentum; and the fundamental principles of flow through pumps, pipes, and other equipment. Part II turns to microscopic fluid mechanics, which covers * Differential equations of fluid mechanics * Viscous-flow problems, some including polymer processing * Laplace's equation, irrotational, and porous-media flows * Nearly unidirectional flows, from boundary layers to lubrication, calendering, and thin-film applications * Turbulent flows, showing how the k/e method extends conventional mixing-length theory * Bubble motion, two-phase flow, and fluidization * Non-Newtonian fluids, including inelastic and viscoelastic fluids * Microfluidics and electrokinetic flow effects including electroosmosis, electrophoresis, streaming potentials, and electroosmotic switching * Computational fluid mechanics with FlowLab and COMSOL Multiphysics Fluid Mechanics for Chemical Engineers, Second Edition, with Microfluidics and CFD, includes 83 completely worked practical examples, several of which involve FlowLab and COMSOL Multiphysics. There are also 330 end-of-chapter problems of varying complexity, including several from the University of Cambridge chemical engineering examinations. The author covers all the material needed for the fluid mechanics portion of the Professional Engineer's examination. The author's Web site, www.engin.umich.edu/~fmche/, provides additional notes on individual chapters, problem-solving tips, errata, and more.

好的,这是一份关于《流体力学与化学工程应用》的图书简介,侧重于传统流体力学原理在化学工程中的应用,并涵盖了微尺度现象和计算流体力学基础,但不包含特定提及“Fluid Mechanics for Chemical Engineers with Microfluidics and CFD”这一书名或其确切内容。 --- 《化学过程中的流体动力学原理与工程应用》 导言:理解过程的驱动力 在化学工程领域,流体是所有操作的核心介质。无论是反应器内的混合、分离过程中的传质、还是设备间的物料输送,对流体行为的深刻理解是确保过程安全、高效和经济运行的基石。本书旨在为化学工程专业的学生、工程师和研究人员提供一个全面、深入且实用的流体力学知识体系。我们专注于将基础的物理原理与化学工程实践紧密结合,从宏观尺度的设备设计到微观尺度的相互作用,系统地阐述流体运动的规律及其在复杂化学系统中的工程应用。 本书的结构设计旨在引导读者从基础概念出发,逐步过渡到高级分析方法,重点突出了流体力学在现代化工生产中的关键作用。 第一部分:基础流体力学与守恒定律 本部分奠定了理解所有流体现象的数学和物理基础。我们从流体的基本概念——密度、粘度、压力等——开始,为后续的复杂分析打下坚实基础。 1.1 流体静力学与压力的应用 首先探讨流体静止时的平衡状态,介绍静压力的分布规律及其在压力测量设备(如皮托管、压力计)中的应用。重点分析了压力在垂直和水平设备中的影响,以及如何利用静力平衡原理计算储罐或管道系统中的荷载。 1.2 流体运动学:描述流动 本章详细介绍了描述流体运动的数学工具,包括流线、迹线和脉线。我们区分了层流和湍流,并引入了描述流场特性的关键参数,如雷诺数($Re$),探讨了其在预测流动状态转换中的决定性作用。对于化学工程中的常见流动形态,如管道流、剪切流和非牛顿流体,均进行了详细的分析。 1.3 物质和动量守恒:纳维-斯托克斯方程的推导 这是理解流体行为的核心。本书系统地推导了牛顿第二定律在流体微元上的应用,导出了不可压缩牛顿流体的纳维-斯托克斯(Navier-Stokes, N-S)方程组。在此基础上,结合质量守恒(连续性方程),建立了描述流体运动的完整控制方程。我们不回避这些方程的复杂性,但会着重讲解在特定工程简化条件下(如充分发展流动、边界层理论)如何应用这些方程进行解析求解。 第二部分:管道流动与阻力分析 管道系统是化学工厂中最普遍的物料输送网络。本部分专注于单相流体在管道和管件中的流动特性及能量损失计算。 2.1 充分发展流动与摩擦损失 深入分析了圆管内层流和湍流的流动剖面。通过达西-魏斯巴赫公式和摩擦系数图(Moody图),精确计算了沿程摩擦损失。特别强调了湍流模型中影响摩擦系数的因素,如管壁粗糙度。 2.2 局部阻力和放大损失 除了沿程损失,本章还专门处理由阀门、弯头、缩扩管等管件引起的局部能量损失。引入了等效长度法和局部阻力系数法,为大型管网系统的压力降计算提供实用的工程工具。 2.3 泵与压缩机选型:能量的输入 流体输送系统需要外部能量输入。本节详细讲解了各种离心泵、轴流泵的工作原理,并重点阐述了水力性能曲线、有效气蚀余量(NPSH)的计算,以及如何根据系统阻力曲线匹配合适的泵,确保系统稳定运行。 第三部分:多相流体与界面现象 化学过程往往涉及气-液、液-液、固-液等复杂的多相体系。本部分扩展了单相流体的概念,处理具有清晰界面的流动问题。 3.1 混合与分散系统中的流体行为 探讨了气泡动力学(上升、变形、破裂)和液滴动力学(聚并、破碎)。分析了表面张力、接触角等界面性质对微观尺度流动和宏观混合效率的影响。 3.2 多相流的表征与模型 介绍了描述多相流动的关键参数,如含气率、空隙率和速度比。针对气液两相流,探讨了环状流、泡状流等典型流动模式,并介绍了用于预测压力降和传热特性的经验关联式。 3.3 沉降、过滤与流化床 在固-液或固-气系统中,颗粒的运动至关重要。本章详细分析了颗粒沉降的斯托克斯定律及其适用范围,介绍了过滤操作中的流体力学基础,并深入讲解了流化床的原理、最小流化速度的计算及其在反应器设计中的应用。 第四部分:流体在特定化学单元操作中的应用 本部分将前述的理论知识应用于具体的化学工程单元操作中,展示流体力学如何指导设备的设计与优化。 4.1 反应器中的流动模式 分析了搅拌槽反应器(CSTR)内的流场分布,包括宏观混合时间和局部湍流强度对反应速率的影响。对于填充床反应器,探讨了床层中的非均匀流动(沟流、旁流现象)及其对传热和传质的影响。 4.2 传热与流动的耦合 在热交换器设计中,流体流动状态直接决定了对流传热系数。本章结合了边界层理论,分析了管内和管外换热中,湍流对强化传热的作用,并讨论了设计中如何平衡压降与传热效率。 第五部分:计算流体力学(CFD)基础与前沿展望 随着计算能力的提升,CFD已成为现代化学工程设计与分析的强大工具。本部分提供了入门级的CFD概念,并展望了未来在化学过程模拟中的发展方向。 5.1 CFD的基本框架 介绍了CFD求解流程:前处理(几何建模与网格划分)、求解(控制方程的离散化方法,如有限体积法)和后处理。重点讨论了离散化误差和数值稳定性的重要性。 5.2 湍流模型在CFD中的应用 鉴于纳维-斯托克斯方程在处理湍流时的巨大计算量,本章详细介绍了简化湍流模拟的常用模型,如雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)模型,特别是$k-epsilon$ 和 $k-omega$ 模型在化工设备流场模拟中的适用性与局限性。 5.3 微尺度流动现象的初步接触 简要介绍了流体在极小尺度(微米甚至纳米量级)下的行为特征,例如表面力主导、惯性效应减弱等现象。探讨了这些微尺度效应在新型微反应器和生物医学工程中的潜在影响,强调了连续介质模型在这些尺度上的适用性边界。 结论 本书力求在理论的严谨性与工程实践的适用性之间取得平衡。通过系统学习,读者将能够独立分析和解决化学工程中遇到的各类流体流动问题,为优化现有工艺和开发新型反应设备提供坚实的流体力学支撑。掌握这些知识,是成为一名优秀化学工程师的关键一步。

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