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出版者:中国科学技术大学出版社

作者:沙毅

出品人:

页数:320

译者:

出版时间:2005-8

价格:24.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787312018176

丛书系列:

图书标签:

• 泵
• 风机
• 流体机械
• 机械工程
• 工业设备
• 机械设计
• 泵技术
• 风机技术
• 能源工程
• 设备选型

机械传动中的能量转换与效率优化：流体机械的前沿理论与应用 图书简介 本书深入探讨了现代工业流程中至关重要的两大核心设备——泵与风机——在能量转换、流体动力学、结构设计与运行优化方面的最新进展与经典理论。区别于侧重于单一设备操作手册或基础流体力学原理的传统书籍，《机械传动中的能量转换与效率优化》将视角聚焦于如何通过先进的理论指导和工程实践，最大化流体机械的系统效率，降低能耗，并应对日益严苛的环境与工况挑战。 第一部分：流体机械基础与能效理论 本部分为理解高级应用奠定坚实的理论基础，但侧重于超越基础概念的深入分析。 第一章：流体力学在复杂工况下的再审视 本章重新审视了牛顿流体和非牛顿流体在高速、高压以及多相流环境中的行为。重点讨论了湍流模型的最新发展（如RANS、LES及其在旋转机械边界层预测中的局限与改进），以及如何将这些模型应用于预测实际工况下的能量损失。特别关注了空化现象（Cavitation）的发生机制，不仅从热力学角度分析汽化过程，更引入了固-液界面相互作用对叶轮材料的疲劳损伤机制的定量分析，并提出了基于声发射和实时压力脉动分析的早期预警系统设计原则。 第二章：能量转换效率的系统性损失分析 传统的效率定义（水力效率、容积效率）已被证明不足以评估现代工业系统中的整体能耗。本章引入了“系统集成效率”（System Integration Efficiency, SIE）的概念，该概念综合考虑了驱动电机效率、传动损耗、控制系统响应速度以及设备本身的流体动力学损失。详细剖析了机械、容积和水力损失的相互耦合关系，特别是摩擦阻力、二次流体运动（Secondary Flows）引起的熵增，以及这些损失如何随工况点变化。引入了基于等熵效率和热力学第二定律对泵和风机做功过程进行能量质量评估的方法。 第二部分：先进流体机械设计与结构优化 本部分聚焦于如何利用现代计算工具和先进制造技术来设计出具有更高性能和可靠性的流体机械。 第三章：计算流体力学（CFD）的高阶应用与验证 本书不侧重于CFD软件的操作指南，而是深入探讨了求解器选择（如有限体积法与有限元法在旋转机械网格生成中的优劣）、湍流模型（$k-omega$ SST vs. RSM）在预测叶片载荷和分离区域的准确性对比。重点讨论了不确定性量化（Uncertainty Quantification, UQ）在CFD流程中的整合，以评估设计参数微小变化对最终性能曲线的敏感性。此外，还详述了如何结合实验数据（PIV、LDV）对CFD模型进行严格的后处理和校准。 第四章：叶轮与蜗壳/扩散器设计的拓扑优化 本章介绍了利用先进的拓扑优化算法来设计叶轮和导流叶片的思路。探讨了如何将流体动力学性能指标（如升力系数、压力梯度）作为目标函数，同时加入结构刚度、振动模态限制和制造约束（如最小壁厚、最大悬挑长度），通过迭代算法寻找最优的几何布局。对于离心泵，重点分析了平衡径向载荷与比转速之间的非线性权衡；对于轴流风机，则深入研究了如何利用三维非正交网格优化来控制叶尖泄漏区的二次流，以抑制噪音产生。 第五章：气固/气液耦合效应（Aero-Elasto-Hydrodynamics） 本章处理高转速或高压差工况下，流体载荷与机械结构响应的相互作用。详细介绍了流固耦合（FSI）分析的有限元/有限体积集成方法，尤其关注于叶片颤振（Flutter）和气动弹性失稳的预测。对于高速风机，探讨了叶片在极端载荷下的疲劳寿命预测模型，结合了接触力学和材料损伤累积理论。 第三部分：运行控制、状态监测与系统集成 本部分将流体机械从单一设备提升到整个工业系统的优化层面。 第六章：变频驱动与动态性能控制 本章不再停留在VFD（变频驱动器）的基本原理上，而是探讨如何利用先进的控制理论实现流体机械的精确工况点跟踪。引入了模型预测控制（MPC）和自适应控制算法，用于实时补偿系统压力波动、温度变化和流体粘度变化对设备性能的影响。详细分析了如何通过快速调整转速（而非仅仅节流阀门）来实现节能运行，并给出了不同系统（如复杂管网）的控制策略矩阵。 第七章：状态监测与预测性维护（PdM） 本书着重介绍基于传感器融合的预测性维护技术。除了传统的振动分析，本章重点介绍了振动频谱解调技术用于识别微小轴承损伤或叶片表面损伤（如腐蚀、冲蚀）的早期信号；结合了油液分析（如铁谱分析）和先进的声学监测技术，构建多维度健康状态指标。提出了基于机器学习（如LSTM网络）对设备运行历史数据进行时间序列分析，从而预测潜在故障时间点（RUL）的方法论。 第八章：大型工业系统中的协同优化与孪生技术 本章将视角提升至整个流体系统网络层面。讨论了如何将多个泵或风机串联或并联配置下的多变量优化调度问题，以最小化整个工厂的运行成本（包括电力消耗和维护成本）。引入了数字孪生（Digital Twin）的概念，描述了如何构建一个与物理泵/风机实时同步的虚拟模型，用于模拟极端工况、测试控制策略的鲁棒性，并在不影响实际生产的情况下进行性能调优。 结论：面向可持续发展的未来流体机械 本书最后总结了未来流体机械在低碳经济背景下的发展方向，包括超临界流体应用、无油润滑技术对能源损耗的进一步削减潜力，以及智能流体机械在循环经济中的作用。 本书适合于从事化工、能源、冶金、航空航天等领域的高级工程师、设计人员、研究人员以及攻读相关专业的研究生使用。它旨在提供一个全面、深入且面向工程实践前沿的流体机械知识体系。

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坦白地说，这本书的难度是毋庸置疑的，但它绝不是一本故作高深的“天书”。阅读过程中，我发现作者采用了非常人性化的难度梯度设计。前几章奠定基础时，语言简洁明快，主要侧重于基本概念的梳理和物理图像的建立，读起来相对轻松，就像是在热身。然而，一旦进入到涉及到非线性方程求解和复杂湍流模型的部分，作者的态度明显变得更加严谨和深入，公式推导详细到几乎每一个步骤都没有跳跃，这对于需要深入研究的读者来说是莫大的福音。我发现，即使是那些我过去一直感到困惑的数学模型，在经过作者的层层剥茧后，其背后的物理意义也变得清晰可见。这本书的价值就在于，它既能满足那些只需要了解应用原理的工程师，也能为致力于学术研究的博士生提供坚实的理论支撑，它成功地架设起了一座连接理论深度与工程实践的桥梁，跨度之大，令人赞叹。

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这本书的开篇就展现出一种深邃而古老的魅力，仿佛带我走进了某个知识的殿堂。作者的叙述方式极其细腻，他并不急于抛出那些我们习以为常的工程学概念，而是先用引人入胜的笔触勾勒出流体力学在人类文明进程中的地位。那种对“流”这种物质形态的敬畏感，被文字的力量展现得淋漓尽致。我特别喜欢他描述气流和液体运动时所采用的意象，常常是一些自然界中宏大的景象，比如风暴的眼、深海的暗流，让人在阅读中不仅学到了知识，更获得了一种审美的享受。全书的逻辑构建非常严密，每一个章节的过渡都像精密机械的啮合一样顺畅自然，让人在不知不觉中接受了复杂的理论。这种将科学的严谨性与人文的浪漫色彩完美结合的笔法，在技术类书籍中实属罕见。我感觉自己像是在听一位大师讲述宇宙的呼吸，而不是在啃一本教科书。它真正做到了将“教”与“赏”融为一体，极大地激发了我对基础物理原理的探索欲。

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读完这本书，我最大的感受是它的“实战性”与“前瞻性”达到了一个令人惊讶的平衡点。作者显然对行业内的痛点有着深刻的理解，书中穿插的案例分析并非泛泛而谈的理论推导，而是直指现场运行中那些最让人头疼的问题。比如，针对系统中的气蚀现象，他不仅仅给出了理论公式，更细致地剖析了不同工况下导致气蚀的微观机制，以及如何通过优化叶轮几何参数来规避风险。这种从宏观系统到微观细节的切换，展现了作者极高的专业素养。更难得的是，书中对于未来技术趋势的预测也颇有洞见，提到了数字化孪生在预测性维护中的应用前景，让我们对这一领域的发展方向有了更清晰的认知。我个人觉得，对于一个刚步入这个行业的新人来说，这本书提供了一个绝佳的“速成地图”，它让你少走了许多弯路，直击核心要害。它不是那种只停留在纸上谈兵的理论集，而是真正能够指导实践的行动指南。

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我从这本书中获得的最大收获，是一种“系统性思维”的重塑。在很多工程领域，我们习惯于将设备视为一个独立的黑箱进行优化，比如只关注转子的效率，却忽略了进出口管道的相互影响。这本书则完全打破了这种孤立的视角。作者用大量的篇幅论述了“系统匹配”的重要性，强调了从整个动力链条上去审视能量的传递与损耗。他会分析泵与管道系统、与阀门的耦合特性，甚至将环境因素——比如大气压力变化——都纳入考量范围。这种“牵一发而动全身”的全局观，极大地提升了我对工程设计复杂性的认知。阅读体验上，这本著作更像是一部精心编排的交响乐，每一个部分——从吸入室的设计到出口的压力控制——都在为最终的和谐共振服务。它教会我，真正的优化不是局部极限的突破，而是整体效率的最大化，这对于我未来的工作思路产生了颠覆性的影响。

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这本书的排版和配图，简直是艺术品级别的存在。在很多技术书籍中，图示往往是简化、抽象甚至有些粗糙的，让人难以将二维图纸与三维实际结构对应起来。然而，这本书中的插图清晰度极高，而且设计得非常巧妙，很多复杂的流场结构图，通过色彩的渐变和线条的粗细变化，就能够直观地展示出压力分布和速度梯度。我尤其欣赏那些剖面图，它们不仅展示了内部结构，还通过箭头和阴影清晰地标示了能量的转化路径，读起来完全没有晦涩感。另外，作者在文字中对专业术语的引入处理得非常克制，不像某些著作那样动辄抛出一堆生僻名词，而是选择在第一次出现时就用通俗易懂的语言进行解释，并配以直观的图形辅助理解。这种对读者体验的极致关怀，让我在阅读过程中保持了高度的专注和愉悦，真正体会到了“图文并茂”的最高境界。

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