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《流体中的传热》 内容梗概 《流体中的传热》一书深入探讨了流体介质在热量传递过程中的复杂行为，重点聚焦于对流传热这一核心机制。本书旨在为读者提供一个全面、系统且严谨的视角，理解并掌握流体流动与热量交换之间的相互作用，以及由此产生的各种现象和应用。本书不仅梳理了传热学的基础理论，更着重于将理论应用于实际工程问题，为读者提供解决复杂传热挑战的工具和方法。 第一部分：基础理论与守恒定律 本书的开篇部分致力于为读者打下坚实的理论基础。首先，我们将从热力学和流体力学的基本原理出发，回顾能量守恒、质量守恒和动量守恒定律在流体传热问题中的具体体现。我们将详细阐述傅里叶导热定律、牛顿冷却定律以及能量方程，为后续章节的深入讨论奠定理论基石。 热力学基础：回顾热力学第一定律和第二定律，重点关注能量转换和熵增的概念，以及它们在描述热量流动过程中的作用。 流体力学基础：介绍流体的基本性质，如密度、粘度、导热系数和比热容，以及流体运动的描述方法，包括速度场、压力场和应力张量。我们将引入纳维-斯托克斯方程及其简化形式，例如伯努利方程，来描述流体的宏观运动。 传热学基础：深入讲解热传导、热对流和热辐射这三种基本传热方式。对于导热，我们将重点关注傅里叶定律，分析稳态和瞬态导热问题，以及不同边界条件下的温度分布。对于对流，我们将区分自然对流和强制对流，并引入努塞尔数、普朗特数、雷诺数等无量纲参数，它们对于表征对流传热的效率至关重要。对于辐射，我们将介绍黑体辐射、灰体辐射以及辐射换热的计算方法。 第二部分：对流传热的深入分析 本书的核心内容集中在对流传热的详细阐述。我们将从层流和湍流两个基本流动形态出发，系统地分析不同流动条件下对流传热的机理和规律。 层流对流： 边界层理论：我们将详细介绍速度边界层和热边界层的概念，分析它们是如何影响对流传热的。我们将推导和应用薄层近似下的能量方程，并讨论层流边界层内的温度分布。 相似性分析：通过量纲分析，我们将推导出一系列重要的无量纲准则数，如雷诺数（Re）、普朗特数（Pr）、努塞尔数（Nu）、格拉霍夫数（Gr）等。这些无量纲数能够有效地将复杂的流体流动和传热问题转化为一系列简化的数学关系，便于工程设计和分析。 特定流动构型下的层流对流：我们将分析在平板、圆管、平行板等典型几何构型下的层流对流传热。例如，在圆管内部，我们将讨论入口段发展和充分发展区域的对流传热系数，以及其与流速、流体性质和管径的关系。 自然对流：在没有外部驱动力的情况下，由密度差引起的流体运动称为自然对流。我们将分析自然对流的驱动机制，并推导描述自然对流的相似准则数，如格拉霍夫数（Gr）。我们将讨论垂直平板、水平表面、圆柱体等表面上由自然对流引起的传热。 湍流对流： 湍流的特性：我们将深入探讨湍流的随机性、涡旋结构以及能量耗散等特性。我们将介绍雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）以及湍流模型（如零方程模型、单方程模型、双方程模型等）在描述湍流流动和传热中的应用。 湍流边界层：我们将分析湍流速度边界层和热边界层的结构，以及它们与层流边界层的显著差异。我们将讨论湍流边界层内更强的混合作用如何显著提高传热系数。 宏观混合模型：我们将介绍宏观混合模型，例如基于涡黏度的模型，来描述湍流中的有效导热和动量传递。 特定流动构型下的湍流对流：我们将重点分析在圆管、通道、外部流动等工程中常见的构型下的湍流对流传热。我们将展示如何利用经验关联式和数值方法来计算湍流传热系数。 第三部分：相变传热 本书还将深入探讨流体在相变过程中所伴随的复杂传热现象，这在许多工业过程中都至关重要。 沸腾传热： 沸腾曲线：我们将详细描绘沸腾曲线，解释不同区域（如自然对流沸腾、泡核沸腾、过渡沸腾、膜状沸腾）的传热机制和特点。 泡核沸腾：我们将分析泡核沸腾中的传热过程，包括气泡的生成、生长和脱离，以及它们对传热的促进作用。 膜状沸腾：我们将探讨膜状沸腾的形成机理，以及液膜的存在如何限制传热效率。 沸腾传热系数的计算：我们将介绍用于计算不同沸腾模式下传热系数的经验关联式和理论模型。 冷凝传热： 膜状冷凝：我们将分析垂直表面、倾斜表面和水平表面的膜状冷凝传热，包括液膜的形成、流动和散热过程。 滴状冷凝：我们将讨论滴状冷凝的特点，以及它如何比膜状冷凝提供更高的传热效率。 冷凝传热系数的计算：我们将介绍相关模型和关联式，用于估算冷凝传热的系数。 第四部分：强化与缓和传热技术 为了提高或降低传热效率，工程上发展了各种传热强化和缓和技术，本书将对此进行详细介绍。 传热强化技术： 表面构型优化：例如，翅片、沟槽、多孔介质等结构如何增加换热面积和扰动流体，从而提高传热系数。 流体扰动：如在流道中加入涡流发生器，以及使用超声波或电场等手段来增强湍流混合。 插入物：例如，在换热器管内插入螺旋带、螺旋线等，以增加湍流和提高传热效率。 传热缓和技术： 绝热材料：选择低导热系数的材料来减少热量损失。 隔热结构：设计真空夹层、多层绝热等结构来最大化隔热效果。 低发射率表面：通过降低表面发射率来减少辐射换热。 第五部分：数值方法在传热分析中的应用 随着计算能力的飞速发展，数值方法已成为解决复杂传热问题不可或缺的工具。 有限差分法（FDM）：介绍FDM的原理，如何将连续方程离散化，并求解离散方程组。 有限体积法（FVM）：重点介绍FVM在处理守恒律方面的优势，以及在流体和传热分析中的广泛应用。 有限元法（FEM）：简要介绍FEM的原理及其在处理复杂几何形状方面的灵活性。 计算流体动力学（CFD）：我们将介绍CFD软件的基本流程，包括前处理（几何建模、网格划分）、求解（数值算法）和后处理（结果可视化和分析）。我们将通过实例展示如何使用CFD来模拟复杂的流体流动和传热问题，例如换热器的设计、电子设备的散热等。 第六部分：工程应用与案例研究 本书的最后部分将通过一系列实际工程案例，展示对流传热理论和方法的应用。 换热器设计：讲解不同类型换热器（如管壳式、板式、空气冷却器等）的设计原理和传热计算，包括壳程和管程的对流传热分析。 电子设备散热：分析CPU、GPU等电子元件的散热需求，以及风冷、液冷等散热方案的对流传热设计。 航空航天应用：讨论飞机翼型、发动机燃烧室等部件的传热问题。 能源系统：例如，太阳能集热器、核反应堆冷却系统中的传热分析。 生物医学应用：如人体内的血液循环传热，医疗设备的温度控制等。 总结 《流体中的传热》旨在为读者提供一个全面、深入的流体传热理论框架，并强调理论与实践相结合。本书的内容从基础的守恒定律出发，逐步深入到复杂的流动现象、相变传热以及先进的数值方法和工程应用。通过对本书的学习，读者将能够深刻理解流体在热量传递过程中的角色，并掌握分析和解决各种工程传热问题的能力。本书适合于机械工程、航空航天工程、化学工程、热能工程等领域的本科生、研究生以及从事相关研究和设计的工程师。
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