Convective Boiling and Condensation pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Oxford University Press, USA

作者:John G. Collier

出品人:

页数:596

译者:

出版时间:1996-08-01

价格:USD 155.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780198562962

丛书系列:

图书标签:

• Convective boiling
• Condensation
• Heat transfer
• Phase change
• Two-phase flow
• Fluid dynamics
• Thermal engineering
• Boiling heat transfer
• Condensation heat transfer
• Microchannel heat transfer

湍流与相变：微观世界中的宏观力量 本书深入探索了两种至关重要的流体动力学现象：对流沸腾与对流凝结。这两种过程不仅是自然界中广泛存在的物理现象，更是众多工业技术赖以生存和发展的核心。从宏观的能源生产到微观的半导体制造，理解和掌控湍流与相变的相互作用，是实现高效、安全、可持续技术发展的关键。 第一部分：对流沸腾的奥秘 对流沸腾，顾名思义，是指在流体受热时，由于流体内部或与壁面之间的温度梯度引发的流动，伴随着从液相到气相的相变过程。它并非简单的“加热至沸腾”，而是涉及到复杂的多尺度耦合机制。 1. 基础概念与宏观表征： 我们将从最基础的定义出发，厘清沸腾与单纯的蒸发之间的区别。重点在于“对流”二字所蕴含的意义——流体的宏观运动如何驱动相变，反之，相变又如何影响流体的宏观运动。本书将详细介绍不同的沸腾模式，从微小气泡的形成与脱离（泡核沸腾），到液膜覆盖在加热表面上（膜沸腾），以及介于两者之间的过渡沸腾。我们会深入探讨这些模式的形成条件、特征以及它们对传热效率的影响。 2. 微观机制的解析： 要真正理解对流沸腾，必须深入其微观层面。本书将详细剖析： 成核与气泡动力学： 气泡的萌生是沸腾的起点。我们将探讨异质成核（在表面缺陷处成核）与均质成核（在体相均匀成核）的差异，以及气泡的生长、合并与分离过程。通过分析表面张力、过热度、形核密度等参数，揭示它们如何影响气泡的尺寸、形状和脱离频率。 传热机制： 沸腾过程中的传热并非单一模式，而是多种机制的叠加。我们将详细解析微层流动（microlayer evaporation），即液膜在气泡底部迅速蒸发的过程；泡核附近的对流传热（convective heat transfer near the bubble）；以及气泡脱离后留下的干斑区域的再润湿（re-wetting of dry spots）。理解这些机制对于提高沸腾传热系数至关重要。 相变潜热的贡献： 沸腾过程中，大量的热量被用于液体的汽化，即潜热（latent heat）。本书将量化潜热在总传热量中所占的比重，并分析其与显热（sensible heat）之间的平衡关系。 3. 影响因素与强化策略： 对流沸腾的效率受到多种因素的影响。我们将系统性地研究： 表面特性： 加热表面的粗糙度、润湿性、形核位点密度等对沸腾行为有着决定性的影响。本书将深入探讨如何通过表面改性技术（如微结构化、涂层处理）来强化沸腾传热。 流体性质： 导热系数、比热容、蒸气压、表面张力、粘度等流体热物理性质的改变，将直接影响沸腾的起始温度、沸腾模式以及传热速率。 流动条件： 流速、流型（单相、两相）对气泡的输运、分离以及表面膜的形成有着显著影响。我们将区分静止液体沸腾与流动沸腾的差异，并分析不同流动状态下（如层流、湍流）的沸腾特性。 压力与过热度： 系统压力直接影响流体的饱和温度，而过热度（superheating）则是驱动沸腾的根本动力。本书将分析它们与沸腾模式之间的耦合关系。 强化技术： 除表面改性外，本书还将介绍其他沸腾强化技术，例如强制对流、电场/磁场诱导沸腾、微重力沸腾等，并分析其背后的物理原理。 4. 沸腾的极限： 在追求高传热效率的同时，了解沸腾的限制条件同样重要。我们将深入探讨： 临界热流密度（Critical Heat Flux, CHF）： 当热流密度超过某一临界值时，传热效率会急剧下降，甚至导致过热。本书将详细分析CHF的形成机理，包括气泡拥挤、液体供给不足、蒸气膜隔离等，并介绍预测和提高CHF的方法。 顶温（Departure from Nucleate Boiling, DNB）： 同样是传热恶化的标志，DNB是指从泡核沸腾向膜沸腾的转变，导致壁温急剧升高。我们将分析DNB的发生条件与CHF之间的关系。 第二部分：对流凝结的精妙 对流凝结，是指在流体与冷却表面接触时，蒸气转化为液体的过程，同时伴随着流体的宏观流动。与沸腾类似，流体的运动对于凝结的效率至关重要。 1. 凝结类型与宏观表现： 我们将首先区分膜状凝结（filmwise condensation）与滴状凝结（dropwise condensation）。膜状凝结是蒸汽在冷却表面形成一层连续的液体膜，而滴状凝结则是蒸汽形成独立的液滴。本书将重点关注对流驱动下的膜状凝结，这是更常见且更易于工程应用的模式。 2. 微观过程与传热机理： 对流凝结的效率受到多方面微观过程的影响： 传质与传热的耦合： 凝结本质上是一个传质（相变）与传热（冷却）耦合的过程。蒸汽在液膜表面冷凝，释放出大量潜热，这些潜热需要通过液膜传导到冷却壁面，再由冷却介质带走。 液膜动力学： 形成的液膜厚度、流动状态（层流或湍流）直接影响了热阻。我们将分析重力和惯性力如何驱动液膜流动，以及表面张力如何影响液膜的稳定性。 蒸气边界层： 蒸汽在液膜表面附近的边界层内的传质和传热速率是影响整体凝结效率的关键。我们将分析蒸汽的扩散、对流以及在相界面上的阻力。 湍流效应： 在高速对流环境下，湍流会显著增强液膜内部以及蒸汽边界层内的动量和热量传递，从而提高凝结速率。本书将深入研究湍流与凝结的相互作用。 3. 影响因素与强化策略： 与沸腾类似，凝结也受到多种因素的影响： 表面特性： 冷却表面的润湿性是区分膜状和滴状凝结的关键。疏水性表面有利于滴状凝结（传热效率通常更高），而亲水性表面则倾向于膜状凝结。本书将探讨如何通过表面处理来优化凝结性能。 流体性质： 蒸气压、饱和温度、液体的导热系数、比热容、粘度、表面张力等都对凝结速率产生影响。 流动条件： 流速、流型、蒸汽与冷却表面的相对速度是决定对流凝结效率的关键。我们将区分层流凝结和湍流凝结，并分析不同流场结构的影响。 温度差： 过冷度（supercooling），即蒸汽饱和温度与壁面温度之差，是驱动凝结的根本动力。 非凝性气体的影响： 在实际应用中，常常会存在非凝性气体，它们会聚集在蒸汽-液体界面，形成额外的热阻，显著降低凝结效率。本书将分析非凝性气体的存在对凝结过程的影响，并探讨其移除方法。 强化技术： 除了表面改性，本书还将介绍强化凝结技术，例如增强对流、在表面刻槽以促进液膜排流、使用微管束冷凝器等，并分析其原理。 3. 凝结的挑战： 液膜的稳定性与排流： 在某些情况下，形成的液膜可能过厚，阻碍进一步的凝结，或导致传热效率下降。本书将讨论如何通过优化表面结构和流动条件来促进液膜的有效排流。 腐蚀与结垢： 在某些介质中，凝结过程可能伴随腐蚀或结垢，这会降低设备的效率和寿命。我们将简要提及这些问题以及可能的应对措施。 第三部分：应用与前沿 本书的最后一部分将目光投向对流沸腾与对流凝结的广泛应用，并展望未来的发展趋势。 能源领域： 核反应堆安全壳冷却、火力发电厂的锅炉、热交换器等。 制冷与空调： 蒸发器与冷凝器的设计是制冷系统效率的核心。 电子设备散热： 微电子器件的高密度散热依赖于高效的沸腾冷却。 化工过程： 蒸馏、干燥、聚合反应等过程中的传热传质。 航空航天： 飞行器的热管理系统。 新能源技术： 燃料电池、太阳能集热等。 本书还将探讨数值模拟技术在理解和预测这些复杂现象中的作用，以及新兴的相变材料和技术在强化传热方面的潜力。 通过对对流沸腾和对流凝结的深入剖析，本书旨在为读者提供一个全面而深刻的理解框架，使其能够更好地设计、优化和控制涉及这些基本物理过程的工程系统，从而推动相关领域的技术进步。

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