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出版者:Wiley

作者:Michael J. Moran

出品人:

页数:576

译者:

出版时间:2002-9-17

价格:0

装帧:Hardcover

isbn号码:9780471204909

丛书系列:

图书标签:

• 热工系统工程
• 传热学
• 流体力学
• 热力学
• 工程热物理
• 能源工程
• 系统设计
• 热传递
• 工程应用
• 传热分析

深入解析流体力学与热力学基础：构建现代工程系统的核心基石 本书旨在为工程专业学生和从业人员提供一套严谨、全面且具有实践指导意义的流体力学与热力学基础知识体系。我们深知，理解和掌握能量转换、物质传输的内在机制，是设计、优化任何现代工程系统的先决条件。本书聚焦于那些构成热力学与流体力学领域基石的核心概念、分析方法与前沿应用，力求在理论深度与工程实际之间架起一座坚实的桥梁。 --- 第一部分：流体力学的基本原理与分析工具 (Foundations of Fluid Mechanics and Analytical Techniques) 本部分系统地介绍了流体的本质属性、描述流体运动的数学工具，以及分析流场行为的关键方法。 第一章：流体的本质特性与静力学基础 本章首先界定“流体”的概念，区别于固体，重点探讨流体的微观结构如何决定其宏观行为，特别是粘性与不可压缩性。我们详细阐述了密度、比重、表面张力、体积弹性模量等关键参数的物理意义及其在工程中的适用范围。 随后，深入探讨流体静力学。拉普拉斯方程的推导与应用，压力场的线性变化规律被清晰阐释。针对实际工程问题，我们详尽分析了平面和曲面上的静压力分布、静水总推力（浮力）的计算，以及压强计、测压计（包括U型管和斜管）的工作原理、结构设计与误差分析。对于潜水器、水坝等结构物受力分析，本章提供了详尽的计算实例与图解。 第二章：流体运动的描述与连续性方程 本章引入描述流体运动的两种核心观点：拉格朗日观点（跟踪个体流体质点）和欧拉观点（考察空间中固定点的流场变化）。我们定义了流线、迹线和涡线，并基于这些概念构建了描述流场运动的矢量场模型。 核心内容聚焦于连续性方程的推导。从微元控制体的质量守恒原理出发，推导出针对不可压缩流体和可压缩流体的连续性方程，包括微分形式和积分形式。本章特别强调了对于管道流动、自由射流和翼型周围流场分析中，如何应用这些方程来建立速度场的约束条件。此外，我们也初步引入了矢量微积分在流体力学中的应用，为后续章节的动量分析奠定数学基础。 第三章：牛顿运动定律在流体中的应用——动量方程 本章是流体力学分析的核心支柱。我们从牛顿第二定律出发，推导出适用于控制体（Control Volume）的动量方程。通过清晰界定控制面的动量流项，本书详细展示了如何应用动量方程解决各种工程问题，包括： 1. 明渠中的水跃分析：分析水力跳跃发生时能量的耗散与动量的平衡。 2. 管道中弯管、喷嘴与扩散器的力矩计算：确定流体作用于固定装置上的反作用力与力矩，这对泵、涡轮机和阀门的设计至关重要。 3. 射流冲击问题：分析动量交换对固定或移动平板的影响，涉及冲击角度、速度变化与功的计算。 第四章：流体动力学中的能量守恒 能量分析在工程中具有至高无上的地位。本章从第一类热力学定律出发，推导出适用于流体的广义能量方程（或称为广义伯努利方程的扩展形式）。 我们详细区分了流体内部能、动能、位能以及热量交换和机械功的贡献。重点讨论了伯努利方程的适用条件、局限性，以及如何引入摩擦损失（耗散能）修正项以适用于真实粘性流体流动。本章还深入探讨了流体通过泵、涡轮机时的能量传递与效率计算，并引入了总能（Total Energy Head）的概念。 --- 第二部分：粘性流体流动与阻力分析 (Viscous Flow Analysis and Drag/Lift Phenomena) 本部分将重点转向现实世界中不可避免的粘性效应，以及如何量化这些效应在物体表面产生的阻力和升力。 第五章：粘性流动的基本特征与相似律 本章深入探讨粘性对流场结构的影响。详细解析雷诺数（Reynolds Number）的物理意义，阐明其作为惯性力与粘性力之比的统治地位，是判断流动是层流还是湍流的根本判据。 我们介绍了牛顿流体和非牛顿流体的本构关系，并讨论了层流（Laminar Flow）的精确解，特别是泊肃叶流动（Poiseuille Flow）在圆管中的速度分布与压降计算。 第六章：管道内部流动与能量损失的量化 针对工程中最常见的管道网络，本章提供了全面的分析方法。 1. 摩擦损失计算：详细推导达西-威斯巴赫方程，并介绍范宁摩擦因子。重点讲解如何利用穆迪图（Moody Chart），结合相对粗糙度，精确确定工程管道中的主损失。 2. 局部损失分析：系统分析阀门、弯管、突然扩缩管等引起的次级损失，引入局部阻力系数（K值）。 3. 管道系统设计：提供串联、并联管道系统的求解方法，以及确定等效长度的概念，为供水、供油系统的管网优化提供实用的计算流程。 第七章：边界层理论与外部流动 当流体流过固体表面时，边界层理论是描述速度梯度和摩擦力的关键。本章从纳维-斯托克斯方程的简化入手，导出了普朗特边界层方程。 我们详细分析了边界层分离现象及其对物体绕流场的影响。对于层流边界层，采用普朗特-布劳修斯（Prandtl-Blasius）的相似解法，计算摩擦阻力系数。对于更复杂的湍流边界层，则采用幂律模型进行近似计算。 第八章：升力、阻力与流体力学中的相似性原理 本章将流体力学分析提升到设计和实验层面。首先，详细界定阻力（Drag）和升力（Lift）的来源，区分了摩擦阻力、压差阻力和诱导阻力。 核心内容是无量纲化与相似律。通过量纲分析（如 Buckingham π 定理），我们确立了流动现象的相似性准则，特别是雷诺数和马赫数（在可压缩流中）的重要性。本章随后深入研究了机翼（翼型）的空气动力学，分析了升力系数和阻力系数的剖面，以及失速现象的发生机理。这部分内容为航空航天和风力工程中的性能预测提供了坚实的基础。 --- 第三部分：热力学基础与能量转换分析 (Thermodynamic Principles and Energy Conversion) 本部分侧重于能量的形态、转换过程以及系统平衡的分析方法，这是所有工程热力学应用的核心。 第九章：热力学第一定律与系统分析 本书从能量守恒的宏观角度切入，严格定义了热力学系统（孤立、封闭、开放系统）。详细阐述了功（功的形式，如体积功、轴功）和热量的本质区别与联系。 核心在于第一定律在不同系统中的应用： 1. 封闭系统：推导出焓（Enthalpy）的定义及其在定容、定压过程中的变化。 2. 稳定流动系统（Control Volume）：推导出稳态能量方程（Steady Flow Energy Equation, SFEE），并系统分析了节流、热交换器、泵、压缩机和透平等典型设备的能量平衡。 第十章：热力学第二定律与熵的概念 第二定律是理解能量品质和过程不可逆性的关键。本章首先介绍克劳修斯和开尔文-普朗克表述，并严格推导了克劳修斯不等式及其积分形式——熵（Entropy）的定义。 我们深入分析了熵的产生机制——不可逆过程（如摩擦、热量传递和混合）。随后，引入等熵过程的概念，并展示了如何利用熵生成项来评估工程过程的“热力学有效性”或“品质损失”。本章还介绍了等温势（Exergy）的概念，作为衡量能量“可用性”的终极指标，并分析了系统的最大可行功。 第十一章：热力学性质关系与纯工质 本章聚焦于物质的热力学性质如何相互关联。详细介绍了P-v-T面图、相平衡线和三相点，以及如何使用蒸汽表/制冷剂表查找饱和与过热状态的性质。 重点阐述了热力学状态方程（如理想气体、范德华方程），以及如何利用偏微分关系（如麦克斯韦关系式）从易测量的性质（P, T）推导出难以测量的性质（如热容）。这部分为精确计算循环过程中的能量传递提供了工具箱。 第十二章：基本热力学循环分析 本部分将前述原理应用于分析经典能量转换系统。我们详细剖析了以下关键循环的组成、过程（P-v 和 T-s 图示）、效率计算和改进方向： 1. 蒸汽动力循环：朗肯循环的理想化与实际过程（考虑泵功和湿蒸汽区）。 2. 燃气轮机循环：布雷顿循环（涡轮机、压缩机、燃烧室）及其在航空与发电中的应用。 3. 制冷循环：蒸汽压缩制冷循环（蒸发器、冷凝器、膨胀阀）和性能指标——制冷系数（COP）的计算。 --- 第四部分：传热学基础：三种基本机制的综合应用 (Fundamentals of Heat Transfer: Conduction, Convection, and Radiation) 热力学揭示了能量可以转换，而传热学则解释了能量是如何在不同温度体之间移动的。本书对传热学的讲解侧重于其在工程边界条件下的应用。 第十三章：热传导——稳态与非稳态 本章从傅里叶定律出发，建立了热传导的微观基础。 1. 稳态导热：推导一维、二维和三维稳态导热方程，重点解决复合壁、圆柱壁（如管道绝热）的导热计算，并引入热阻（Thermal Resistance）的概念进行系统化分析。 2. 非稳态导热：引入生物-希氏图（Biot Number）和傅里叶数（Fourier Number），用于分析瞬态过程。讲解集总参数法（Lumped Capacitance Method）的适用条件，以及半无限体传导的解析解。 第十四章：对流换热——从边界层到系数 本章是流体力学与热力学交叉的重点。我们区分了强制对流与自然对流。 核心在于牛顿冷却定律与对流换热系数（h）的确定。通过对流体的无量纲数（努塞尔数 Nu, 彭克列数 Pr, 格拉晓夫数 Gr, 瑞利数 Ra）的分析，展示了流体速度、几何形状和热物性如何影响热交换效率。书中提供了针对平板、管内流和自由对流的经验关联式及其应用实例。 第十五章：热辐射与多模式联合换热 本章聚焦于不需要介质的能量传递方式。从黑体辐射的基本定律（斯蒂芬-玻尔兹曼定律、普朗克分布、维恩位移定律）入手。 随后，引入灰体和实体角的概念，推导形状因子（View Factor）的几何关系及其求解方法。最后，本章将重点放在工程实践中辐射与对流的耦合问题，例如在高温炉壁或空间热控系统中的联合换热计算，强调在不同温度梯度下，哪种传热模式占据主导地位。 本书的结构设计确保了知识的循序渐进：从描述物质运动（流体力学）到量化能量状态（热力学），再到分析能量传递（传热学）。所有理论推导均辅以工程实例和清晰的图表，旨在培养读者将抽象的物理定律转化为解决实际工程问题的能力。

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这本书简直是工程领域的一颗璀璨明珠！我最近刚刚读完，感觉收获颇丰，尤其是在理解复杂热力学原理如何应用于实际系统设计方面，这本书的讲解简直是醍醐灌顶。作者的叙述方式非常清晰，即便是初学者也能很快抓住核心概念。书中大量的图示和案例分析，让那些抽象的理论变得生动具体。我特别欣赏它将理论与工程实践紧密结合的方式，读起来一点也不枯燥乏味。比如，在讨论换热器设计时，作者不仅深入剖析了传热学的基本方程，还结合了实际工业流程中的挑战和解决方案，这使得我不仅知其然，更能知其所以然。我强烈推荐给所有热能、机械或者化学工程专业的学生和工程师，这本书绝对是案头必备的参考书。它不仅仅是一本教科书，更像是一位经验丰富的导师在身旁悉心指导，让你在面对真实世界的工程问题时，能够充满信心。它对流体力学和传热学的讲解深度恰到好处，既保证了理论的严谨性，又兼顾了工程应用的直观性，实在难得。

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说实话，我拿到这本书时，内心是有些抗拒的，毕竟“工程”这个词听起来就意味着枯燥和公式的海洋。然而，这本书彻底颠覆了我的固有印象。它的结构设计非常巧妙，仿佛是精心编排的一场知识探险。作者似乎非常了解读者在学习过程中的痛点，总能在关键时刻插入一些启发性的“小贴士”或者历史背景介绍，让人在学习技术细节的同时，也能感受到这门学科的脉络和发展。例如，它对系统建模和动态分析部分的阐述，逻辑性极强，层层递进，让人不由自主地想去深入探索下一个章节。书中的习题设计也十分考究，难度梯度设置合理，从基础巩固到综合应用，每一步都走得稳健有力。我个人认为，这本书的价值远超其售价，它提供了一种看待工程问题的全新视角——不再是孤立的计算，而是将各个组件视为一个相互影响的整体系统来考量。对于那些希望提升自己系统思维能力的读者来说，这本书绝对是不可多得的良师益友。

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这本书的排版和印刷质量简直是业界标杆。拿到精装本后，我立刻被它厚实的手感和清晰的字体所吸引。在阅读技术类书籍时，内容的清晰度和图表的质量至关重要，而这本书在这两方面都做到了极致。即便是那些复杂的流线图和温度梯度图，也绘制得极其精确和易于辨认。我尤其喜欢它在定义新变量和符号时所采用的规范化处理，查找起来非常方便，大大提高了我的阅读效率。此外，作者在行文过程中使用的那种沉稳而又不失热情的语调，极大地激发了我对热力学和能量转换过程的探究欲望。它并没有简单地堆砌复杂的数学推导，而是总能将数学工具置于解决实际工程问题的背景之下，这种“以用为本”的写作理念，让人感到非常踏实。对于需要经常查阅特定公式和设计准则的专业人士而言，这本书的索引系统也是设计得非常人性化，极大地节省了翻阅时间。

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老实说，我是一个比较注重阅读体验的人，如果一本书读起来晦涩难懂，再好的内容也会大打折扣。幸运的是，这本书在语言表达上做到了极高的水准。作者的遣词造句精准而富有感染力，使得即便是最复杂的物理过程描述，读起来也流畅自然，引人入胜。它没有采用那种僵硬的、典型的工程术语堆砌方式，而是更倾向于一种对话式的引导，仿佛作者正在耐心地为你拆解难题。我发现，很多我以前通过死记硬背才勉强理解的概念，通过阅读这本书中的讲解后，竟然变得豁然开朗，这种“顿悟”的感觉非常美妙。这本书对于如何进行假设简化和模型验证的讨论也极为透彻，这对于培养批判性工程思维至关重要。它教会了我，优秀的工程师不仅要会计算，更要知道在什么条件下，计算的结果才具有实际意义。我将这本书视为我专业成长道路上的一个重要里程碑。

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初接触这本教材时，我原以为它会像许多同类书籍一样，只停留在理论层面，难以触及实际操作的细节。然而，这本书的深度和广度完全超出了我的预期。它不仅覆盖了热力学和传热学的核心内容，还花费了大量篇幅探讨了控制理论在热系统中的应用，这对于现代智能化的工程设计至关重要。我特别欣赏它对“能源效率”和“可持续性”议题的融入，这使得内容与当今全球关注的焦点紧密相连，让读者意识到工程工作的社会责任。书中对不同材料的热物理性质的表格整理也异常详尽和准确，为实际选材提供了坚实的数据支持。每一次阅读，都像是进行了一次高水平的学术研讨会，观点深刻，论证充分。对于希望从基础知识迈向高级系统集成和优化设计的读者而言，这本书提供了必要的阶梯和坚实的立足点，它的知识结构非常稳固。

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