Fluid Flow for the Practicing Chemical Engineer pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Theodore, Louis

出品人:

页数:600

译者:

出版时间:2009-7

价格:882.00元

装帧:

isbn号码:9780470317631

丛书系列:

图书标签:

• 化学工程
• 流体力学
• 传质
• 流体流动
• 化学反应工程
• 过程设计
• 工业应用
• 流体动力学
• 输运现象
• 工程数学

流体动力学：工程实践中的关键原理与应用 流体，作为我们宇宙中最普遍的存在之一，其行为的理解和驾驭，是诸多工程领域，尤其是化学工程，得以高效运转的基石。从石油化工的巨型管道输送，到制药行业的精密灌注，再到食品饮料的加工与包装，无不与流体的流动息息相关。本书将带领读者深入探索流体动力学的奥秘，聚焦于那些在实际工程应用中至关重要的原理和方法，旨在为未来的化学工程师提供一套坚实而实用的知识体系。 第一章：流体及其基本性质 本章将从流体最基础的概念入手。我们将界定什么是流体，以及它与固体的根本区别，主要体现在其抵抗剪应力的能力。随后，我们将详细阐述流体在静止状态下表现出的关键性质：密度、比重、比容以及压强。压强的概念将得到深入剖析，包括其在不同深度下的变化规律（静水压强），以及泊斯叶定律（Poiseuille's Law）如何描述压强与高度、重力加速度和流体密度的关系。 紧接着，我们将转向流体的动态特性。粘度，作为流体抵抗变形能力的度量，是理解流体流动行为的核心。我们将区分动力粘度（dynamic viscosity）和运动粘度（kinematic viscosity），并介绍它们之间的关系。对于粘度随温度和压强变化的现象，我们将提供基于实验数据和经验关联式的分析方法。表面张力，虽然在宏观流动中可能显得微不足道，但在微流控、液滴形成等特殊应用中却扮演着关键角色，本章也将对其进行介绍。最后，我们会简要提及流体的可压缩性，特别是在气体流动中，以及其对流动行为的影响。 第二章：流体静力学 在上一章对流体基本性质有了充分认识的基础上，本章将专注于流体在静止状态下的力学行为，即流体静力学。我们将深入研究压强的概念，特别是流体内部的压强分布。巴斯卡定律（Pascal's Law）将得到详细阐述，它解释了为何密闭流体中的压强能够均匀传递，这构成了液压系统（如液压千斤顶、液压制动器）工作原理的核心。 本章将重点介绍浮力和阿基米德原理（Archimedes' Principle），解释为何物体在流体中会受到向上的浮力，以及如何利用该原理判断物体的沉浮状态。我们将通过实例分析，例如船只的浮力设计、潜艇的下潜与上浮机制，来加深读者对浮力应用的理解。 此外，我们将探讨容器壁上承受的静水压强分布，以及如何计算总的压强力和压强作用点。这对于设计储罐、闸门等结构至关重要。本章还会涉及流体界面上的自由表面以及多层流体界面的压强计算。 第三章：流体流动基本概念与守恒定律 本章将标志着我们从流体的静态行为转向其动态流动。我们将引入流体流动的基本描述方式，包括拉格朗日描述（Lagrangian description）和欧拉描述（Eulerian description）。理解这两种描述方法对于分析复杂的流动场至关重要。 随后，我们将深入探讨流体流动的基本守恒定律。质量守恒定律，在流体动力学中表现为连续性方程（Continuity Equation），我们将通过一维、二维以及三维形式推导其方程，并分析其在不同流动模型（如恒定流动、非恒定流动、可压缩流动、不可压缩流动）下的应用。 能量守恒定律，在流体流动中则体现为伯努利方程（Bernoulli's Equation）。我们将详细推导伯努利方程，并解释其中各项的物理意义：动能项、势能项以及压强项。伯努利方程的适用条件，如无粘性、不可压缩、沿流线流动等，将得到清晰的界定，同时也会探讨如何修正伯努利方程以考虑实际流体中的能量损失（如摩擦损失和局部损失）。 动量守恒定律，在流体动力学中则体现为动量方程（Momentum Equation），它描述了作用在流体上的力与流体动量变化之间的关系。我们将介绍如何利用动量方程分析流体对固定或移动物体产生的力，例如喷嘴射流对挡板的作用力。 第四章：量纲分析与相似性原理 在复杂的工程问题中，直接通过实验或数值计算可能成本高昂且耗时。量纲分析（Dimensional Analysis）和相似性原理（Principle of Similarity）为我们提供了一种强大的工具，能够从数量庞大的变量中提炼出关键的无量纲参数，从而简化问题，并在模型试验的基础上预测原型系统的行为。 本章将详细介绍量纲分析的基本原理，包括量纲（dimension）和单位（unit）的区别，以及如何利用 Buckingham Pi 定理（Buckingham Pi Theorem）来确定无量纲参数的个数及其形式。我们将探讨常见的工程无量纲参数，例如雷诺数（Reynolds Number），它表征惯性力和粘性力的比值，是判断流动状态（层流、湍流）的关键；弗劳德数（Froude Number），它与重力和流速相关，常用于开放渠道流动和船舶设计；韦伯数（Weber Number），它与表面张力相关，常用于液滴形成和喷雾过程。 相似性原理则建立在量纲分析的基础上，它指出当几何相似、运动相似和物理条件相似时，模型试验的结果可以准确地反映原型系统的性能。我们将探讨不同类型的相似性，以及如何选择合适的模型参数和试验条件，以确保模型试验的有效性。 第五章：粘性流体流动：管道流 本章将聚焦于流体动力学中最常见的应用场景之一：粘性流体在管道中的流动。我们将深入分析管道流动的两个基本状态：层流（Laminar Flow）和湍流（Turbulent Flow）。通过雷诺数的不同取值范围，我们将区分这两种流动模式。 对于层流，我们将详细推导哈根-泊斯叶方程（Hagen-Poiseuille Equation），该方程精确地描述了圆管层流中流量与压强降之间的关系，并探讨了其在不同管径、管长和流体粘度下的变化。 而对于更为普遍的湍流，由于其复杂性和随机性，我们无法获得精确的解析解。本章将介绍描述湍流流动的重要概念，如湍流强度、混合长度理论（Mixing Length Theory）和普朗特模型（Prandtl's Model）。我们将重点研究实际管道流动中不可避免的能量损失——摩擦损失（Friction Loss）。摩擦因子（Friction Factor）是计算管道压强降的核心参数，我们将介绍其与雷诺数和管道内壁粗糙度之间的关系，并通过莫迪图（Moody Diagram）来方便地查找摩擦因子。 本章还将讨论管道系统中的局部损失（Minor Losses），例如由于阀门、弯头、截面突变等引起的能量损失，并提供计算这些局部损失的方法。最终，我们将综合运用所学知识，解决包含多段管道、阀门和附件的复杂管道系统中的流量和压强降计算问题。 第六章：明渠流动 明渠流动是指流体在一个表面不是完全封闭的渠道中流动的现象，例如河流、灌溉渠、下水道等。本章将重点分析这类流动。我们将介绍明渠流动的基本概念，如流速分布、水力半径、流态（层流、湍流），以及与管道流相比的特点，例如自由液面以及受大气压强的影响。 本章将深入研究均匀流（Uniform Flow），即在流动过程中，水的深度和流速保持不变的情况。我们将推导并应用谢才公式（Chezy Formula）和曼宁公式（Manning's Formula）来计算明渠中的流速和流量，并解释公式中各项的含义，例如糙率系数。 除了均匀流，我们还将探讨非均匀流（Non-uniform Flow），特别是缓流（Subcritical Flow）和急流（Supercritical Flow）之间的区分，以及如何计算水跃（Hydraulic Jump），这是一种流态急剧变化的现象，在工程中具有重要意义。本章还将简要介绍明渠流动的稳定性问题，以及如何设计合理的渠系以满足农业灌溉、防洪等需求。 第七章：流体机械 流体机械是工程中用于输送、提升或利用流体能量的设备，它们在化工生产过程中扮演着至关重要的角色。本章将对主要的流体机械进行介绍和分析。 首先，我们将关注泵（Pumps），它们用于将流体从低压区域输送到高压区域，或者提升流体的高度。我们将区分离心泵（Centrifugal Pumps）和容积泵（Positive Displacement Pumps）两大类，并详细介绍离心泵的工作原理、性能曲线（流量-扬程曲线、效率曲线、功率曲线）以及选择和操作要点。容积泵，如齿轮泵、螺杆泵等，因其恒定的流量特性，在某些特殊场合有其独特的优势。 接下来，我们将探讨风机（Fans）和压缩机（Compressors），它们是用于处理气体流体的流体机械。风机主要用于输送气体，通常压强升不大；而压缩机则用于显著提高气体的压强。我们将分析它们的性能参数和应用场景。 此外，我们还将介绍涡轮机（Turbines），它们是流体机械的另一重要分支，用于从流体中提取能量，将其转化为机械能。水轮机（Water Turbines）和汽轮机（Steam Turbines）是常见的例子，我们将简要介绍其工作原理以及在发电等领域的应用。 第八章：非牛顿流体流动 绝大多数的流体动力学理论和公式都是基于牛顿流体（Newtonian Fluids）建立的，即其剪应力与剪切速率呈线性关系。然而，在化学工程领域，许多重要的流体，如聚合物溶液、悬浮液、乳液、糊状物等，都表现出非牛顿流体的特性。本章将专门探讨非牛顿流体的流动行为。 我们将介绍几种常见的非牛顿流体模型，包括幂律流体（Power-Law Fluids），例如卡门-斯托克斯模型（Carreau-Yasuda Model）等，以及剪切变稀流体（Shear-Thinning Fluids）和剪切增稠流体（Shear-Thickening Fluids）。我们将分析这些模型如何描述流体的表观粘度（Apparent Viscosity）随剪切速率的变化。 本章将侧重于非牛顿流体在管道中的流动，以及如何修正泊斯叶定律和摩擦因子计算方法来适应非牛顿流体的特性。我们将探讨影响非牛顿流体流动的关键因素，并提供相关的计算方法和工程应用实例。 第九章：多相流动的基本概念 在实际的化工过程中，很多操作都涉及到两种或两种以上相互不混溶的相的流动，例如气液两相、液液两相、气固两相、液固两相以及三相流。这类流动被称为多相流（Multiphase Flow），其复杂性远超单相流。本章将介绍多相流动的基本概念和分类。 我们将讨论多相流动的流型（Flow Patterns），例如气泡流、弹状流、环状流、夹带流等，并分析不同流型对传质、传热和压降的影响。流型的识别和预测是研究多相流动的关键一步。 本章还将介绍描述多相流动的常用模型，例如欧拉-欧拉模型（Euler-Euler Model）和欧拉-拉格朗日模型（Euler-Lagrangian Model），以及如何计算多相流动的压强降和相间相互作用力。我们将通过具体的工程实例，如多相反应器、气液分离器、气力输送等，来展示多相流动的工程意义。 第十章：流体流动中的传热 流体流动往往伴随着传热过程，这在化工设备的加热、冷却、蒸发、冷凝等操作中至关重要。本章将把流体动力学与传热学相结合，分析流体流动对传热效率的影响。 我们将回顾传热的基本定律，如傅里叶导热定律和牛顿冷却定律。随后，我们将重点研究对流传热（Convective Heat Transfer），特别是强制对流（Forced Convection）和自然对流（Natural Convection）。 本章将深入探讨对流传热系数（Convective Heat Transfer Coefficient）的计算。我们将引入努塞尔数（Nusselt Number）这一无量纲参数，它表征了对流传热与导热之比，并介绍其与雷诺数、普朗特数（Prandtl Number）等流体性质参数之间的关联式，例如Dittus-Boelter方程和Sieder-Tate方程。 我们还将讨论不同传热模式下的应用，如管道内的强制对流换热，以及在换热器设计中的关键考虑因素，包括换热面积、传热温差和总传热系数。 第十一章：流动过程中的化学反应 在化学工程领域，许多重要的反应过程都发生在流动体系中。本章将把流体流动与化学反应结合起来，探讨流动对反应速率和转化率的影响。 我们将回顾化学反应动力学的基本概念，如反应速率、转化率、反应级数和表观活化能。随后，我们将重点分析流动如何影响反应过程。例如，在固定床反应器中，催化剂颗粒的流动特性会影响物料的接触效率和传质速率，进而影响反应速率。在鼓泡塔或搅拌釜反应器中，流体的混合程度对反应的均匀性和转化率有直接影响。 本章将介绍一些关键的流动-反应耦合概念，例如扩散控制反应、混合控制反应以及反应动力学控制反应。我们将分析影响流体流动和化学反应相互作用的因素，并提供一些简单模型的分析方法，以帮助读者理解和设计此类过程。 第十二章：流体动力学在工程设计中的应用案例 在本书的最后一章，我们将回归工程实践，通过具体的案例来巩固和应用前面所学的流体动力学知识。这些案例将涵盖化学工程中的多个重要领域，例如： 管道网络设计与优化：如何计算复杂管道网络中的流量分配和压强降，以及如何选择合适的管径和泵，以达到经济高效的输送目的。 反应器设计：如何根据流体动力学特性选择和设计合适的反应器类型（如管式反应器、釜式反应器、流化床反应器），并估算其性能。 换热器设计：如何计算不同类型换热器中的传热量，并选择合适的流体流动方式以提高换热效率。 分离设备设计：例如，在蒸馏塔、萃取塔、过滤器等设备中，流体流动对分离效率的影响。 过程安全分析：例如，如何估算管道破裂时的泄放速率，以及如何设计泄压装置。 通过对这些实际工程问题的深入分析和解答，读者将能够更清晰地认识到流体动力学在化学工程实践中的重要性，并掌握将其应用于解决实际工程挑战的技能。本书的最终目标是赋能读者，使其能够自信地应对流体流动带来的各种工程问题。

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