Transport Phenomena

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出版者:John Whiley & Sons
作者:Warren E. Stewart, Edwin N. Lightfoot R. Byron Bird
出品人:
页数:780
译者:
出版时间:1994
价格:0
装帧:Paperback
isbn号码:9789971511425
丛书系列:
图书标签:
  • 传热学
  • 传质学
  • 流体力学
  • 输运现象
  • 化工工程
  • 物理化学
  • 流体流动
  • 热量传递
  • 质量传递
  • 扩散现象
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具体描述

深入解析:流体力学、热传导与质量传递的统一框架 书名:输运现象:从微观机制到宏观应用 内容简介 本书旨在为读者提供一个关于“输运现象”(Transport Phenomena)的全面、深入且统一的理解。我们将物质和能量在不同介质中传递的现象置于一个统一的理论框架下进行审视,内容涵盖了动量传递(流体力学)、能量传递(热传导)和质量传递(扩散)这三大核心领域。本书的特点在于,它不仅仅是这些独立学科的简单汇编,而是强调它们之间深刻的数学和物理上的相似性,引导读者掌握处理这类问题的通用方法论。 第一部分:基础概念与数学工具的奠基 在本书的开篇,我们将回顾读者必须掌握的微积分、向量分析以及微分方程(特别是偏微分方程)的基础知识。我们认为,理解输运现象的本质离不开对场论和张量分析的初步认识。因此,第一部分将详细介绍: 1. 守恒定律的普适性: 探讨质量、动量和能量在控制体积内的守恒原理,这是所有输运分析的起点。我们将以严谨的数学形式表达这些定律,并引入通量(Flux)的概念,明确区分对流项与扩散项。 2. 物质场的描述: 介绍速度场、温度场和浓度场的数学表示方法,重点阐述拉格朗日描述与欧拉描述的转换,以及流线、迹线和流迹线的区别。 3. 张量分析初步: 导入荷移动力学中至关重要的剪切应力张量和粘性应力张量。我们将从牛顿流体的本构关系出发,阐明应力张量在描述物质传递阻力中的核心地位。 第二部分:动量传递——流体力学(粘性流) 本部分将焦点集中在流体运动的规律,特别是粘性对运动的影响。我们将采用一个从简单到复杂的路径来剖析流体力学问题: 1. 牛顿流体与本构方程: 详细推导牛顿粘性流体的应力-应变率关系。探讨非牛顿流体的基本特性,例如剪切增稠和剪切稀疏现象,尽管篇幅有限,但会提供一个清晰的分类框架。 2. 基础流动模型: 深入分析经典的层流问题,包括: 泊肃叶流动(Poiseuille Flow): 管道内稳定、层状流动,推导速度剖面和压力降。 库埃特流动(Couette Flow): 两个平行平板间流体的剪切流动,用以理解边界层基础。 斯托克斯流动: 在低雷诺数(高粘性)假设下处理的流动,如球体或圆柱体周围的绕流。 3. 纳维-斯托克斯方程的推导与简化: 这是流体力学的心脏。我们将完整推导不可压缩纳维-斯托克斯方程,并讨论在不同物理情境下(如充分发展流动、薄层流动)的简化方法。 4. 边界层理论: 介绍普朗特(Prandtl)边界层理论的物理意义,以及如何利用其进行简化分析,处理高雷诺数下流体与固体表面的相互作用。同时,将初步涉及湍流的概念,探讨其复杂性以及雷诺平均化方法的引入。 第三部分:能量传递——热传导与对流 能量如何在系统中传递是本部分的核心。我们将从基本的热力学出发,构建传热的数学模型: 1. 热流的表征与傅里叶定律: 定义热流密度,并详细推导(标量形式的)傅里叶定律,强调热导率作为材料特性的意义。 2. 热传导方程(能量守恒): 从能量守恒原理出发,推导出考虑热源项、对流项和蓄能项的瞬态热传导方程。 3. 稳态导热问题解析: 解决不含时间变化项的拉普拉斯方程。重点分析: 一维稳态导热: 穿过平板、圆柱壁和球壳的导热,引入热阻概念,用于工程计算。 二维稳态导热: 使用分离变量法或格林函数法求解特定几何边界条件下的温度场。 4. 对流传热基础: 结合第二部分的动量传递知识,引入牛顿冷却定律。探讨无量纲数(如雷诺数、普朗特数、努塞尔数)在表征对流传热效率中的作用。对自然对流与强制对流的物理机制进行区分。 第四部分:质量传递——扩散与对流 本部分关注物质(分子或组分)在介质中的迁移,这在化学工程、材料科学和生物学中至关重要。 1. 物质通量的定义: 区分基于摩尔、质量和体积的通量定义。引入菲克第一定律,阐明扩散系数(Fickian Diffusion)的概念,以及它对温度和浓度的依赖性。 2. 扩散方程(质量守恒): 建立基于质量守恒的扩散方程,即菲克第二定律,并考虑反应或生成项的影响。 3. 稳态与瞬态扩散: 稳态扩散: 类似于稳态导热,分析穿过薄膜或壁面的恒定扩散通量问题。 瞬态扩散: 处理扩散系数恒定情况下的非稳态问题,如半无限体中的瞬态扩散。 4. 对流-扩散现象: 将质量传递与流体运动结合,分析对流对物质分布的影响。讨论在流动体系中,如管道内,物质传递如何由边界层中的扩散和整体流动的对流共同主导。 第五部分:统一性与案例分析 在本书的最后,我们将回归绪论提出的统一视角,通过并列分析具体工程实例,强化读者对输运现象共通性的理解: 1. 类比与对应关系: 系统性地对比动量、能量和质量传递方程的数学形式,清晰地指出牛顿粘性定律、傅里叶定律和菲克定律之间的结构相似性,以及对应的“阻力系数”(粘度、热导率、扩散系数)。 2. 工程应用实例: 通过实际案例展示如何综合运用以上知识解决实际问题:例如,化工反应器中反应物在催化剂颗粒内的扩散与反应耦合问题;热交换器中流体流动与换热的耦合分析;或高粘度流体在旋转圆盘上的流动与传热分析。 本书的编写风格力求严谨而不失清晰,每一个推导都遵循严格的物理和数学逻辑。通过大量的例题和习题,读者将不仅学会“如何计算”,更能理解“为何如此计算”,从而为后续深入研究传递现象、计算流体力学(CFD)或过程模拟打下坚实的基础。

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读后感

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用户评价

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这本书的**宏大叙事和深度探讨**简直让人叹为观止,它似乎并非仅仅聚焦于某一个狭隘的学科领域,而更像是一部**跨越了时间和空间的史诗**。作者的笔触极其细腻,对于人类文明的演进,特别是那些**看不见的驱动力**——那些关于能量、物质和动量如何在广袤的宇宙中流动与转化的思考——进行了**哲学层面的挖掘**。我读到一些关于**“场”的概念**,它们不仅仅是物理学中的抽象符号,更被赋予了一种**近乎生命体的动态描述**。读完之后,感觉像是进行了一次**精神上的洗礼**,对“变化”这件事本身产生了全新的敬畏。书中对于**复杂系统涌现性的描述**尤为精彩,它没有给出简单的因果链条,而是展示了**系统中各个微小单元如何通过互动,最终形成一个不可预测却又遵循某种内在逻辑的整体**。这种处理方式,让我对那些看似混乱的现象背后隐藏的秩序,有了**醍醐灌顶般的领悟**。对于那些热衷于**探索事物本质**而非仅仅停留在表面现象的读者来说,这本书无疑是一份**宝藏**。它要求你投入全部的专注力,去感受那些**无形的力量**是如何塑造我们所处的世界的。

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这本书给我的感觉,就像是拿到了一份**极其详尽但又充满留白的工程蓝图**。它没有直接告诉我“该怎么做”,而是**提供了一套观察世界的全新“光学系统”**。我记得在某个章节,作者深入分析了**“梯度”的概念**,但我所理解的梯度,远超出了简单的变化率。在那里,梯度被描绘成**“万物驱动的原始冲力”**,是促使一切从静止走向运动的**内在张力**。这种**对基础驱动力的极度聚焦**,使得书中很多看似简单的过程,都被赋予了**史诗般的复杂性**。我曾经尝试将书中的某些原理应用到我日常工作中遇到的**资源分配问题**上,结果发现,那些以往看似随机的“失衡”,竟然可以用**系统中“耗散结构”的自我组织倾向**来解释。这本书的价值,在于它**强迫你放弃经验主义的捷径**,转而采用一种**更具系统性的、基于物理实在的思维模型**来解构世界。它的**结构严谨到令人发指**,每一个概念的引入都经过了精心的铺垫,让你在不知不觉中,就已经**被引导至作者设定的思维高地**。

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这本书的**情感内核是极其深沉的**,尽管它表面上是一部关于**“流动”与“平衡”的探讨**,但字里行间却透露出对**“稳定性的脆弱性”的无限忧思**。作者似乎在不断地提醒我们,我们所依赖的一切**秩序都是暂时的、需要持续输入能量来维持的“反熵增”现象**。书中对**“滞后效应”和“系统惯性”的分析**尤其令人不安,它揭示了当我们察觉到某个系统已经偏离正轨时,**“矫正”本身所需要的巨大成本和时间延迟**。我仿佛能感受到作者在字里行间流露出的那种**对无序的警惕**。阅读过程中,我多次停下来,思考我们社会结构中那些**看似无法打破的僵局**,是否也遵循了类似的**“传导机制”**。这本书的叙事节奏是**缓慢而蓄势待发**的,不像有些科普读物那样追求快速的结论,而是**沉浸式地引导读者体验“过程”本身**,体验能量如何在不同介质中**“挣扎”**着完成它的旅程。

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这本书给我最强烈的印象,是它所展示出的**知识的“正交性”**——它似乎同时存在于多个看似不相干的领域,却又在**最深层次的数学原理上达到了完美的统一**。我过去对不同学科的认知总是相互隔离的,但这本书就像一把**万能钥匙**,打开了它们之间的隐秘通道。特别是关于**“界面”的描述**,它不再是简单的分界线,而是**一个充满剧烈交换与相互作用的“动态地带”**。这种将**“接触面”视为核心研究对象的视角**,对我理解**人际交往中的冲突与合作机制**产生了极大的启发。全书的**论证过程充满了实验性的思考**,即便是理论推导,也带着一种**“如果把系统放在极端条件下会发生什么”的求真精神**。它不是一本教你如何解决具体工程问题的手册,而是一本**教你如何“提问”的哲学指南**。读完后,我发现自己看待任何“变化”的眼光都变得更加**审慎和多维**了,因为它已经教会了我**如何去追踪那些看不见的“流向”**。

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我必须承认,这本书的**语言风格带着一种冷峻而精确的诗意**,初读时会有那么一瞬间的**“迷失感”**,因为作者似乎完全不打算迎合“快餐式阅读”的潮流。它更像是**一位经验丰富的大师在向他的学徒传授一项古老而复杂的技艺**,充满了**只有真正投入时间才能解码的“行话”和“隐喻”**。比如,书中对**“边界条件”的探讨**,与其说是在讨论数学上的约束,不如说是在**描绘一个实体存在的“宿命”与“可能性”之间的拉锯战**。这种对**“限制如何定义自由”**的深刻反思,贯穿了全书。我特别喜欢其中关于**“尺度效应”**的论述,它揭示了当我们把视野从微观放大到宏观,或者反过来时,**我们对“真实”的认知会发生何种颠覆性的变化**。书中引用了许多**跨学科的案例**,从生物体的生长规律到城市交通的拥堵模式,都以一种**统一的、近乎冷酷的逻辑框架**来审视,这种**统一性的追求**本身就极具震撼力。它不是一本轻松读物,而更像是一次**智力上的攀登**。

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