燃烧学导论

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出版者:清华大学出版社
作者:Stephen R.Turns
出品人:
页数:533
译者:姚强
出版时间:2009-4
价格:65.00元
装帧:
isbn号码:9787302187622
丛书系列:
图书标签:
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具体描述

许多学工程的学生对燃烧和燃烧应用有很高的兴趣。尽管在许多大学中开设有燃烧或与燃烧相关的大学生高年级课程,然而为这样的课程找一本合适的教科书却是一件难事。本书是为满足燃烧入门的课程,特别为大学生学习而设计的。作者在美国宾夕法尼亚州州立大学讲授一门燃烧导论课,并需要写出一本导论性的教科书,这两个因素促成了本书的产生。

本书最初设想的对象是机械和相关工程领域的高年级学生,其他的读者亦可发现此书为应用热学知识解决高等燃烧问题提供了桥梁。本书给出了许多实例和习题,便于读者理解或联系实际。因此,希望一年级的研究生和工程师们也可以从这些内容中获益。

在结构上,本书具有很大的灵活性。总共15章的内容对于只有一个学期的课程显得太多了。本书可以使教师在规划一门课的内容时满足不同内容和组合的需求,同时可以方便地使主题进行延伸或转换。以一个学期的课程为例,选择第1~6,15,8,9,14章可以组成一个最通用的课程; 而如果是一门以火花点火的发动机为主的课程则可以选第1~6,8,12,15,9章。

第1~3章的内容对于本科生来说是最基本的。第1章给出了燃烧和火焰的定义及种类,介绍了燃烧产生的大气污染物的影响与控制,这部分内容在第15章中有更详细的介绍。

第2章提供了学习燃烧所需的热化学知识。这一章强调了化学平衡对燃烧的重要性。本书光盘中的软件给学生提供了一个简便的方法来计算燃烧产物的复杂平衡。这一软件还可用于许多有趣的和辅助教学的项目训练。第3章介绍传质,在全书中都采用将所有的传质处理为简单的二元系统以简化理论推导的方法。除了在第7章中简单提到外,多元扩散的问题留给更高级的课程去讲授。这样的简化有利于没有接触过传质的学生很好地理解传质问题而不陷入其固有的复杂性。第3章采用了经典的斯蒂芬问题和单液滴蒸发问题来阐明传质理论。

第4章和第5章讨论化学动力学问题,首先介绍基本概念(第4章),然后讨论对于燃烧来说重要的化学机理和燃烧产生的大气污染物(第5章)。除了介绍不可避免的复杂的碳氢化合物燃烧化学外,还引入了简化的一步和多步反应动力学,并将化学动力学用于简单的分析与模型中,据此了解简化动力学的作用与缺陷。

第6章的主要内容是将化学动力学与热力学模型进行关联。导出了定压和定容反应器、全混流和柱塞流反应器四种模型。这些简化的模型可以让学生清楚地掌握化学动力学是如何用于更大的实际情形的。第6章也提供了许多用于反应器分析与设计的项目。本章的有效性和独特性相映成趣。

在前几章学习了热化学、分子输运和化学动力学后,第7章导出了在后续各章中将用到的反应系统的简化守恒方程。这一章引入了两个守恒标量的方法来简化反应流的求解问题。目的是为更严格的推导提供基础。对于本科生来说,这一章可任选,完全可以跳过去; 但是对于研究生的入门课程,这一章还是很有用的。

第8~13章是对各种火焰基本问题的描述。第8章讨论层流预混火焰,第9章和第10章讨论层流非预混火焰。湍流火焰问题在第12章(预混)和第13章(非预混)中讨论,主题包括火焰传播、着火、灭火和火焰稳定。尽可能地采用简化的分析方法,并强调实际的应用。为了更好地理解最基本的内容,尽可能地避开了严谨的数学推导。这样做有时可能对某些现象无法完全解释。对于这些情况,一般会提醒读者注意并提供相关的参考文献,以利读者能找到更完全的理解。由于这些材料很丰富,读者完全可以方便地只选择层流火焰(第8,11,12章)或只选择非预混火焰(第9,10,13章)来读。如果课程特别强调某方面的应用,可以提出特定的内容。

与实际装置有关的液滴蒸发理论属于第10章后半部分的内容,推导了一维蒸发控制的燃烧室模型。这一节的基本目的就是加强前面的平衡和蒸发的概念,帮助提高学生分析问题的能力,并提供在工程应用项目中要用到的思路与概念。设计项目可以很方便地加入到第10章的构架中。按课程的目的,第10章的这一节也是可选的。

第14章中以碳燃烧作为原型系统介绍固体的燃烧,同样使用简化的分析方法来阐释非均相燃烧的概念并引入了扩散控制和动力学控制燃烧的概念。这一章中也给学生提到了煤的燃烧及其应用的初步概念。

在现代的燃烧学书中完全忽略燃烧产生的污染问题是不可想象的。第15章是专门针对这一问题而写的。这一章介绍污染物的定量概念并讨论了污染物产生的机理及其控制方法。这一章强调应用,对于专门的读者会有特别的吸引力。这一章的位置并不意味着其不重要。取决于课程的目标,这些素材可以跟在第1~6章后用。

最后总结一下,本书的目的是为机械工程和相近专业领域的本科高年级学生提供一个易于理解的燃烧学入门课程的教材。通过例题和作业,学生可以在他们的理解力方面以及进一步应用到不同的项目和“实际世界”的问题方面产生自信心。希望这本教科书能满足教师的需求,同时也能为那些渴望获得结构简化和恰当的素材的读者,提供燃烧这一引人入胜的领域的学习入门书。

深度探索:流体力学与湍流理论前沿 本书简介 本书汇集了当代流体力学与湍流理论研究领域的最新进展与核心概念,旨在为高年级本科生、研究生以及相关领域的科研人员提供一个全面、深入且具有前瞻性的学术参考。全书结构严谨,逻辑清晰,内容涵盖了从经典理论基础到前沿数值模拟方法的广阔范围,力求在理论深度与工程实践之间架起坚实的桥梁。 第一部分:连续介质动力学基础 本部分首先回顾了经典流体力学的基本假设与控制方程组,着重强调了在不同物理尺度和流态下,纳维-斯托克斯(Navier-Stokes, N-S)方程组的物理意义和数学特性。我们详细剖析了质量守恒、动量守恒和能量守恒在流体系统中的体现,并引入了张量分析工具,为后续复杂问题的处理奠定坚实的数学基础。 1.1 经典理论回顾与现代诠释 本章深入探讨了流体运动的本构关系,特别是牛顿流体与非牛顿流体的区别,并结合粘性耗散的微观机理,解释了宏观粘性现象的本质。我们引入了流线、迹线、时间线等概念,并利用拉格朗日和欧拉视角对流场进行描述,揭示了流体运动描述方法的内在联系与适用范围。此外,对伯努利方程的严格推导及其在特定条件下的局限性进行了探讨,避免了对该方程的过度简化应用。 1.2 边界层理论的精细化分析 边界层理论是理解近壁面流动特性的基石。本章超越了普朗特(Prandtl)的经典近似,着重分析了由高梯度带来的复杂物理现象。我们详细阐述了相似律在边界层分析中的应用,并对形状因子、动量厚度等关键参数的计算方法进行了详尽的阐述。特别地,对三维边界层(Three-Dimensional Boundary Layers)的形成机制、分离准则(如斯卡拉定理)及其对升阻力计算的贡献进行了深入的剖析,指出在复杂几何体绕流中,三维效应的重要性远超二维模型所能描述的范畴。 1.3 相似性原理与无量纲化 本章系统阐述了量纲分析在物理建模中的核心地位。通过白金汉$pi$定理(Buckingham $pi$ Theorem)的严格证明,读者将掌握如何从物理变量中提取出控制流动的关键无量纲参数(如雷诺数、马赫数、弗洛德数等)。本书不仅停留在参数的罗列,更在于论述如何利用相似性原理指导物理实验设计和数值模拟网格划分,确保不同尺度或不同介质间的物理等效性。 第二部分:湍流的统计描述与本构难题 湍流是流体力学中最具挑战性的课题之一。本部分致力于系统地介绍描述湍流运动的统计方法,并探讨当前主流的湍流模型及其内在的局限性。 2.1 湍流的随机特性与时均化处理 本章首先从随机过程的角度定义了湍流,引入了脉动量(Fluctuating Quantities)的概念。我们详细推导了雷诺分解(Reynolds Decomposition),并在此基础上导出了雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)。RANS方程的核心挑战在于引入的“雷诺应力项”(Reynolds Stresses),这是描述湍流脉动动量输运的关键,但其本身是未知的,构成了湍流建模的起点。 2.2 雷诺应力模型(RSM)与二阶矩闭合 相较于仅封闭湍动能($k$)和耗散率($epsilon$)的一阶模型,本章重点介绍二阶矩模型(RSM)。RSM直接求解了所有六个雷诺应力分量的演化方程,从而能更好地捕捉流场的非各向异性特征,尤其是在曲率效应显著或存在强旋转的区域。我们细致地分析了雷诺应力输运方程中各分项(如对流项、生成项、耗散项、以及最困难的应力-旋度梯度耦合项)的物理机制及其在模型中的近似处理方法。 2.3 大涡模拟(LES)的滤波理论与子网格尺度模型 为突破RANS模型对各向同性湍流的过度简化,本章深入探讨了大涡模拟(LES)。LES通过空间滤波分离了可解析的大尺度涡结构和需要建模的小尺度(次网格尺度,SGS)运动。我们将详细阐述卷积滤波的数学性质,并重点分析Smagorinsky模型、动态SGS模型等经典闭合方案的优缺点。特别地,本书讨论了“基于能量守恒的SGS模型”,该模型在处理剪切层和分离流中的性能提升。 第三部分:先进数值方法与应用 本部分将理论知识与现代计算工具相结合,探讨了求解复杂流动问题的数值技术。 3.1 高精度空间离散格式 我们不再局限于传统的有限体积法(FVM),而是系统介绍了高阶精度格式在对流项处理中的优势。这包括紧致有限差分(Compact Finite Difference)格式以及基于谱方法的插值技术,这些方法对于精确捕捉涡旋核心和高梯度区域至关重要。特别关注了加权本质无振荡(WENO)格式在处理激波和间断性流动中的鲁棒性与精度平衡。 3.2 时间推进策略与隐式/显式求解器 本章对比了常用于求解不可压缩流的投影方法(Projection Methods)和处理可压缩流的LU-SGS(如Local-Global Implicit/Semi-Implicit)时间步进方案。我们分析了时间离散精度对数值稳定性和物理准确性的影响,并探讨了大规模并行计算环境下,如何优化求解器(如GMRES, BiCGSTAB)的预条件子设计,以加速收敛。 3.3 耦合流固耦合(FSI)的数值耦合策略 在航空航天、生物力学等领域,流体与固体结构的相互作用(FSI)是核心问题。本书最后介绍了几种主流的FSI耦合方案:单向耦合、松散耦合(Two-Way Decoupled)和紧密耦合(Monolithic)。我们着重讨论了在紧密耦合框架下,如何通过迭代或分区(Partitioned)方法,有效处理流体和固体域界面上的载荷传递与位移兼容性,确保动网格更新的稳定性和物理正确性。 本书内容旨在引导读者超越基础教科书的范畴,深入理解现代流体力学研究的前沿挑战与工具,培养独立分析和解决复杂工程流体问题的能力。

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目录信息

读后感

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用户评价

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这本《燃烧学导论》实在是太让我惊喜了!我原本以为这种偏向理论和工程的书籍会非常枯燥,充斥着密密麻麻的公式和晦涩的术语,读起来会非常吃力。然而,这本书的作者显然深谙教学之道,他没有一开始就将读者推入复杂的热力学和动力学深渊。相反,开篇部分用了大量的篇幅来描绘燃烧现象在日常生活和工业中的广泛应用,从厨房里的燃气灶到复杂的燃气轮机,再到环境污染的根源——化石燃料的燃烧,这些生动的例子一下子抓住了我的注意力。特别是关于火焰结构和传播速度的介绍部分,作者巧妙地结合了图示和类比,让原本抽象的化学反应动力学变得直观易懂。我特别欣赏其中关于“自激化学反应”和“扩散火焰”的章节,它们没有简单地给出定义,而是通过历史上的经典实验,引导读者去思考燃烧过程中的物质传输和能量反馈机制。读完这部分,我感觉自己对“火”这个古老而神秘的现象,有了一种全新的、建立在科学基础上的敬畏感。这本书的叙事节奏把握得非常好,既有足够的理论深度,又不失引人入胜的叙事魅力,绝对是入门燃烧科学的绝佳敲门砖,让我对后续章节充满了期待。

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说实话,我拿到这书的时候,是带着“做作业”的心态的,因为这是我专业课要求阅读的材料。但翻开目录,我立刻被其中对燃烧不稳定性的深入探讨所吸引。这本书的厉害之处在于,它没有停留在基础燃烧理论的层面,而是直接切入了工业应用中最棘手的问题——如何控制和优化燃烧过程。比如,在关于“湍流燃烧”的那一章,作者没有简单地罗列各种湍流模型,而是详细对比了涡旋模型、拉格朗日粒子追踪法在预测火焰形状和污染物排放方面的优劣,并且给出了大量的实验数据图表作为佐证。我发现作者对文献的梳理非常到位,很多前沿的研究动态都被巧妙地融入到基础讲解之中,这使得这本书的知识体系既扎实又具备前瞻性。我特别喜欢它在讨论“污染物生成机理”时所采取的批判性视角,它不只是简单地列出NOx和SOx的生成路径,而是将这些化学反应置于实际的工程限制和经济考量的大背景下进行分析,这种高度的工程思维,让我感觉自己不仅仅是在学习一门学科,而是在学习如何解决现实世界中的复杂工程难题。这本书的深度,绝对超越了普通教材的范畴。

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这本书的价值,远超出了单纯的理论介绍。它更像是一本“思维模型”的训练手册。让我印象深刻的是关于“反应速率常数”的讨论,作者没有满足于简单的阿伦尼乌斯公式,而是深入剖析了活化能的概念,以及如何通过实验手段(比如激光诱导荧光技术)来精确测量不同温度下的速率常数。这种对实验细节的关注,让这本书摆脱了纯理论的空泛感。此外,书中对“燃烧诊断技术”的介绍也异常精彩,从经典的层析成像技术到现代的快速响应传感器应用,作者都进行了简要而精准的概述,让读者清晰地认识到,现代燃烧科学是如何依赖于高精度测量的。读完后,我发现自己不仅理解了燃烧的“是什么”,更理解了我们“如何知道”燃烧的机理,这种对科学方法论的强调,是很多同类书籍所欠缺的。它促使读者去思考,在工程实践中,我们如何设计实验去验证那些复杂的理论模型,这本书确实是培养系统性工程思维的利器。

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这本书的排版和图表质量,说实话,是教科书中的一股清流。我经常遇到一些专业书籍,为了省成本,把图表印得模糊不清,或者关键的数学推导直接跳过关键步骤,搞得读者摸不着头脑。但《燃烧学导论》在这方面做得极其出色。以热力学平衡态计算那几章为例,那些复杂的平衡常数和绝热火焰温度的计算过程,作者都给出了清晰的步骤分解,配图的清晰度极高,甚至连复杂的气体分子结构图都能看得一清二楚。更值得称赞的是,作者在介绍傅里叶定律、菲克定律等基本输运现象时,没有直接抛出张量形式的复杂方程,而是先从一维稳态扩散开始,逐步引入对流和湍流效应,这种“由简入繁,循序渐进”的教学方法,极大地降低了初学者的理解门槛。我感觉作者对读者的学习体验有着极高的同理心,确保每一个概念的引入都是水到渠成的,而不是突兀的灌输。对于自学者来说,这种体贴入微的编排方式,简直是福音。

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阅读体验上,这本书的语言风格带着一种老派学者的严谨和洞察力,但又没有令人望而生畏的距离感。它的论述结构非常严谨,逻辑链条清晰到无可挑剔。例如,在讲解“爆炸极限”时,它首先从相图的构建原理讲起,然后详细阐述了混合气成分、温度、压力如何影响这个极限范围,最后落脚到实际爆炸事故的预防措施。这种“理论-分析-应用”的闭环叙事结构,让人在学习知识的同时,也自然而然地掌握了科学研究的范式。我个人觉得,这本书最成功的地方在于它构建了一个完整的知识生态系统,而不是孤立的知识点堆砌。当你读完关于“燃烧化学”的部分后,你会发现后续章节对“燃烧产物特性”的讨论都有了坚实的理论支撑,彼此之间形成了有机的联系。读起来就像是在跟随一位经验丰富的大师,系统地搭建起一栋知识大厦的每一根承重梁,每一步都走得踏实可靠,让人信心倍增。

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习题非常棒!有利于加深对知识点的理解。不知哪里有答案。

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译本和原版都读过

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非常适合建立燃烧学理论框架,可以结合其他书一起看。某些地方说的比较短

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译本和原版都读过

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