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传递现象学科1

0.1 什么是传递现象？1

0.2 在三个层次上研究传递现象1

0.3 守恒定律：实例3

0.4 结束语5

第1篇 动量传递7

第1章 黏度和动量传递机理7

1.1 牛顿黏性定律（分子动量传递）7

例题1.1-1 动量通量的计算10

1.2广义牛顿黏性定律12

1.3 黏度与压强、温度的关系16

1.4低密度气体黏度分子理论18

例题1.3-1 用临界性质估算黏度18

例题1.4-1 低密度纯气体黏度的计算23

例题1.4-2 低密度气体混合物黏度的预测23

1.5 液体黏度的分子理论24

例题1.5-1 纯液体黏度的估算27

1.6 悬浮液和乳浊液的黏度27

1.7对流动量传递29

第2章 薄壳动量衡算和层流流动的速度分布36

2.1 薄壳动量衡算和边界条件37

2.2 降膜流动37

例题2.2-1 降膜速度计算42

例题2.2-2 具有可变黏度的降膜流动42

2.3 通过圆管的流动43

例题2.3-1 由毛细管流动数据测定黏度46

2.4 通过环隙的流动47

例题2.3-2 水平圆管内的可压缩流动47

2.5 两种互不相溶毗邻流体的流动49

2.6 绕过球体的爬流51

例题2.6-1 由落球的终端速度测定黏度54

第3章 等温系统的变化方程64

3.1 连续性方程65

例题3.1-1 不可压缩牛顿流体在固体表面的法向应力66

3.2 运动方程66

3.3机械能方程68

3.4 角动量方程70

3.5 以随体导数表示的变化方程70

3.6 利用变化方程求解流动问题73

例题3.5-1 无黏性流体定常流动的伯努利方程73

例题3.6-1 长圆管中的定常流动75

例题3.6-2 变黏度降膜76

例题3.6-3 Couette黏度计的工作原理76

例题3.6-4旋转液体表面的形状80

例题3.6-5 慢速旋转球体附近的流动82

3.7 变化方程的量纲分析83

例题3.7-1 绕圆柱的横向流85

例题3.7-2 搅拌罐中的定态流动87

例题3.7-3 填充管内爬流流动的压降90

第4章 多个自变量系统的速度分布103

4.1 时间相关的牛顿流体的流动103

例题4.1-1 突然运动的壁面附近的流体流动104

例题4.1-2 两平行板间的非定常层流106

例题4.1-3 振荡平板附近的非定常层流109

4.2 利用流函数求流动问题110

例题4.2-1 绕过球体的爬流112

4.3 利用速度势求无黏性流体流动114

例题4.3-1 绕过圆柱体的势流116

例题4.3-2 进入矩形通道的流动118

例题4.3-3 拐角附近的流动119

4.4 利用边界层理论研究固体壁面附近的流动121

例题4.4-1 沿平板的层流流动（近似解）123

例题4.4-2 沿平板的层流流动（准确解）124

例题4.4-3 拐角附近的流动126

第5章 湍流的速度分布138

5.1 层流流动与湍流流动的比较139

5.2 不可压缩流体的时均变化方程141

5.3 近壁处时均速度分布143

5.4 湍流动量通量的经验表达式146

例题5.4-1 近壁处雷诺应力表达式的推导147

5.5 管内湍流148

例题5.5-1 圆管中平均速度的估算149

例题5.5-2 普朗特混合长公式在圆管湍流中的应用150

例题5.5-3 黏度与涡流黏度的相对量级150

5.6射流湍流151

例题5.6-1 壁面圆射流的时均速度分布151

6.1 摩擦因子的定义160

第6章 等温系统中的相际传递160

6.2 管内流动的摩擦因子162

例题6.2-1 给定流率下的压降计算165

例题6.2-2 给定压降下的流率计算166

6.3 绕过球体流动的摩擦因子167

例题6.3-1 落球直径的确定170

6.4填料塔的摩擦因子171

第7章 等温流动系统的宏观衡算180

7.1 宏观质量衡算181

例题7.1-1 球形贮罐的出料182

7.2宏观动量衡算183

例题7.2-1 射流施加的作用力（a部分）183

7.3 宏观角动量衡算184

例题7.3-1 施加于混合器的力矩185

7.4 宏观机械能衡算185

例题7.4-1 射流施加的作用力（b部分）187

7.5 黏滞损失的估算188

例题7.5-1 管线流动所需的功率189

7.6 利用宏观衡算求解定常态流动问题191

例题7.6-1 突然扩大的压强升高和摩擦损失191

例题7.6-2 液－液喷射器的性能192

例题7.6-3 作用于弯管上的反推力193

例题7.6-4撞击射流196

例题7.6-5 液体通过孔板的等温流动197

7.7 利用宏观衡算求解非定常态流动问题198

例题7.7-1 从圆柱形容器中流出的非定常流的加速效应199

例题7.7-2 差压计的阻尼振荡201

7.8 宏观机械能衡算的推导203

第8章 聚合液体211

8.1 聚合液体流动行为示例212

8.2 流变测量学与物质函数215

8.3 非牛顿黏度与广义牛顿模型218

例题8.3-1 圆管中不可压缩幂律流体的层流流动220

例题8.3-2 幂律流体在狭缝中的流动221

例题8.3-3 幂律流体的切向环隙流221

8.4 弹性与线性黏弹模型222

例题8.4-1 小幅振荡运动224

例题8.4-2 振荡平板附近的非定常黏弹性流动225

8.5 共旋转导数与非线性黏弹性模型226

例题8.5-1 Oldroyd 6常数模型的物质函数228

8.6 聚合液体的分子理论230

例题8.6-1 FENE-P模型的物质函数232

第2篇 能量传递239

第9章 热导率和能量传递机理239

9.1 傅里叶导热定律（分子能量传递）239

例题9.1-1 热导率的测量243

9.2 热导率与温度和压强的关系244

例题9.2-1 压强对热导率的影响245

9.3 低密度气体热导率理论246

例题9.3-1 计算低密度单原子气体的热导率249

例题9.3-2 估算低密度多原子气体的热导率250

例题9.3-3 推算低密度气体混合物的热导率250

9.4 液体热导率理论251

例题9.4-1 推算液体的热导率252

9.5 固体热导率252

9.6 复合固体的有效热导率253

9.7 能量的对流传递255

9.8 分子运动产生的功256

第10章 薄壳能量衡算，固体和层流流动的温度分布263

10.1 薄壳能量衡算；边界条件263

10.2 电热源的热传导264

例题10.2-1 电热丝给定温升所需的电压降267

例题10.2-2 给定传热系数和环境温度下电热丝的升温267

10.3 核热源的热传导268

10.4 黏性摩擦热源的热传导270

10.5 化学热源的热传导271

10.6 通过复合壁的热传导274

例题10.6-1 复合圆筒壁276

10.7 散热翅片中的热传导278

例题10.7-1 热电偶测温的误差279

10.8 强制对流281

10.9 自然对流285

第11章 非等温系统的变化方程300

11.1 能量方程300

11.2 能量方程的特殊形式302

11.3 强制对流和自然对流的Boussinesq运动方程304

11.4 利用变化方程求解定态传热问题305

例题11.4-1 圆管层流流动的定常态强制对流传热307

例题11.4-2 产生黏性摩擦热的环隙切向流308

例题11.4-3 非等温膜的定常流动309

例题11.4-4 发汗冷却310

例题11.4-5 垂直平板的自然对流传热311

例题11.4-6 理想气体的绝热无摩擦过程314

例题11.4-7 一维可压缩流：在静止激波中的速度、温度和压强分布315

11.5 非等温系统变化方程的量纲分析318

例题11.5-1 长圆筒周围的温度分布320

例题11.5-2 水平流体层中的自然对流：Bénard蜂窝的形成322

例题11.5-3 电热蛇管的表面温度324

12.1 固体中的非定常态热传导336

例题12.1-1 半无限厚平板的加热336

第12章 多个自变量系统的温度分布336

例题12.1-2 有限厚平板的加热337

例题12.1-3 具有正弦波热通量的近壁面非定常态热传导340

例题12.1-4 与充分搅拌的流体相接触的圆球的冷却341

12.2 不可压缩层流流动中的定常态热传导343

例题12.2-1 管壁具有恒定热量通量的层流管流344

例题12.2-2 管壁具有恒定热量通量的层流管流：入口段的渐近解345

12.3 固体中热量的定常态势流346

例题12.3-1 平壁中的温度分布347

12.4 非等温流动的边界层理论348

例题12.4-1 沿加热平板层流强制对流的传热（von Kármán积分方法）349

例题12.4-2 沿加热平板层流强制对流的传热（大Pr的渐近解）351

例题12.4-3 高Pr定常态三维强制对流353

13.1 不可压缩非等温流动的时均变化方程366

第13章 湍流流动的温度分布366

13.2 近壁处的时均化温度分布368

13.3 湍流热量通量的经验表达式368

例题13.3-1 管内湍流壁面热量通量的近似关系369

13.4 管内湍流的温度分布370

13.5 射流中湍流的温度分布373

13.6 管内大Pr数流动能量传递的傅里叶分析375

第14章 非等温系统中的相际传递381

14.1 传热系数的定义382

例题14.1-1 根据实验数据计算传热系数384

14.2 管内和狭缝中强制对流传热系数的解析计算386

14.3 管内强制对流的传热系数391

14.4 围绕浸没物体强制对流的传热系数395

例题14.3-1 管式加热器的设计395

14.5 通过填充床强制对流的传热系数398

14.6 自然对流和混合对流的传热系数399

例题14.6-1 水平管自然对流的热损失402

14.7 固体表面上纯蒸汽冷凝的传热系数403

例题14.7-1 垂直面上蒸汽的冷凝405

第15章 非等温系统的宏观衡算412

15.1 宏观能量衡算413

15.2宏观机械能衡算414

15.3 利用宏观衡算解具有平坦速度分布的定常态问题415

例题15.3-1 理想气体的冷却416

例题15.3-2 两理想气流的混合417

15.4 d形式的宏观衡算418

例题15.4-1 并流或逆流换热器419

例题15.4-2 长管输送可压缩流体所需功率420

15.5 利用宏观衡算解非定常态问题和非平坦速度分布问题422

例题15.5-1 在搅拌槽中加热液体423

例题15.5-2 简单温度控制器的操作425

例题15.5-3 可压缩流体通过差压流量计的流动427

例题15.5-4 分批操作条件下可压缩流体的自由膨胀428

第16章 辐射能量传递440

16.1 电磁辐射的波谱441

16.2 固体表面的吸收和发射442

16.3 Planck分布定律、Wien位移定律和Stefan-Boltzmann定律445

例题16.3-1 太阳的温度和辐射能的发射447

16.4 真空中不同温度黑体之间的直接辐射448

例题16.4-1 太阳常数的估算451

16.5 不同温度非黑体之间的辐射452

例题16.4-2 两圆盘之间的辐射传热452

例题16.5-1 辐射防护屏454

例题16.5-2 水平管辐射和自然对流的热损失455

例题16.5-3 联合辐射和对流455

16.6 吸收介质中辐射能量的传递456

例题16.6-1 单色辐射光束的吸收457

第3篇 质量传递461

第17章 扩散系数和质量传递机理461

17.1 费克二元扩散定律（分子质量传递）462

例题17.1-1 氦通过Pyrex玻璃的扩散466

例题17.1-2 DAB和DBA相等467

17.2 扩散系数与温度和压强的依从关系468

例题17.2-1 低密度下扩散系数的估算469

例题17.2-2 高密度下自扩散系数的估算470

例题17.2-3 高密度下二元扩散系数的估算471

17.3低密度气体的扩散理论472

例题17.3-1 低密度单原子气体扩散系数的计算475

17.4 二元液体的扩散理论475

例题17.4-1 液体扩散系数的估算478

17.5 胶粒悬浮液的扩散理论478

17.6 聚合物的扩散理论479

17.7 对流质量传递和摩尔传递480

17.8质量和摩尔通量概要483

17.9 低密度气体中Maxwell-Stefan多组分扩散方程484

第18章 固体和层流流动中的浓度分布490

18.1 薄壳质量衡算；边界条件491

18.2 通过静止气膜的扩散492

例题18.2-1 移动界面的扩散494

例题18.2-2 扩散系数的测定495

例题18.2-3 通过非等温球状膜的扩散496

18.3 伴有多相化学反应的扩散497

例题18.3-1 伴有慢速多相反应的扩散498

18.4 伴有均相化学反应的扩散499

例题18.4-1 搅拌槽中伴有化学反应的气体吸收501

18.5 下降液膜中的扩散（气体吸收）502

例题1.5-1 上升气泡的气体吸收505

18.6 下降液膜中的扩散（固体溶解）506

18.7 多孔催化剂内的扩散和化学反应507

18.8 三组分气体系统的扩散510

第19章 多组分系统的变化方程524

19.1 多组分混合物的连续性方程524

例题19.1-1 扩散、对流和化学反应527

19.2 多组分变化方程概要527

19.3 多组分通量概要530

例题19.3-1 偏摩尔焓532

19.4 混合物变化方程的应用533

例题19.4-1 同时传热传质533

例题19.4-2 管式反应器中的浓度分布535

例题19.4-3 一氧化碳的催化氧化537

例题19.4-4 多原子气体的热导率538

19.5 非反应二元混合物变化方程的量纲分析539

例题19.5-1 长圆柱体周围的浓度分布541

例题19.5-2 空气除湿时雾的生成542

例题19.5-3 互溶流体的混合544

第20章 多个自变量系统的浓度分布551

20.1 时变性扩散552

例题20.1-1 液体非定常态蒸发（“Arnold”问题）552

例题20.1-2 有快速反应的气体吸收555

例题20.1-3 伴有一级均相反应的非定常态扩散557

例题20.1-4 界面积变化对界面质量传递的影响559

20.2 二元边界层中的定常态传递562

例题20.2-1 沿可溶性平板的等温流动的扩散和化学反应563

例题20.2-2 高质量传递速率下沿平板的强制对流565

20.3 围绕物体流动的定常态边界层理论571

例题20.2-3 低质量传递速率下平板传递的近似类比571

例题20.3-1 绕气泡做爬流流动的质量传递574

20.4 有复杂界面运动的边界层质量传递575

例题20.4-1 有不均匀形变界面的质量传递580

例题20.4-2 伴有快速反应和界面形变的气体吸收580

20.5 管内层流的泰勒离散581

第21章 湍流流动的浓度分布595

21.1 浓度脉动和时均浓度595

21.2 物质A的连续性方程的时均化595

21.3 湍流质量通量的半经验表达式597

21.4 湍流中一级反应对质量传递的强化597

21.5 伴有二级反应的湍流混合和湍流流动601

第22章 非等温混合物中的相际传递609

22.1 单相传递系数的定义610

22.2 质量传递系数的解析表达式613

22.3 单相二元传递系数的关联616

例题22.3-1 自由下降液滴的蒸发620

例题22.3-2 湿球和干球温度计621

例题22.3-3 通过填充床的爬流质量传递623

例题22.3-4 对液滴和气泡的质量传递624

22.4 两相传递系数的定义625

例题22.4-1 控制阻力的确定627

例题22.4-2 两相阻力的相互作用628

例题22.4-3 按面积平均630

22.5 质量传递和化学反应631

例题22.5-1 填料塔中界面面积的估算631

例题22.5-2 体积质量传递系数的估算632

例题22.5-3 有快速反应吸收的模型不敏感性关联式633

22.6 自然对流的联合热量和质量传递634

例题22.6-1 Grashof数的加和性635

例题22.6-2 作为强制对流质量传递源的自然对流热量传递635

22.7 界面力对热量传递和质量传递的影响636

例题22.7-1 上升气泡中循环的消除638

例题22.7-2 降膜的Marangoni不稳定性638

22.8 高净质量传递速率下的传递系数639

例题22.8-1 流体自平表面的快速蒸发646

例题22.8-2 液滴蒸发的校正因子646

例题22.8-3 质量传递校正后的湿球行为647

例题22.8-4 长管中非定常态蒸发膜模型与渗透模型的比较648

例题22.8-5 超滤中的浓度极化649

22.9 多组分质量传递的矩阵近似方法652

第23章 多组分系统的宏观衡算661

23.1 宏观质量衡算662

例题23.1-1 非稳态废物的处置663

例题23.1-2 二元分离器664

例题23.1-3 宏观衡算与Dirac“分离能力”及“价值函数”666

例题23.1-4 分室分析（compartmental analysis）668

例题23.1-5 时间常数与模型的不敏感性671

23.2 宏观动量与角动量衡算672

23.3 宏观能量衡算672

23.4 宏观机械能衡算673

23.5 利用宏观衡算求解定常态问题673

例题23.5-1 二氧化硫转化器的能量衡算674

例题23.5-2填料吸收塔的高度676

例题23.5-3 线性多级串联设备679

例题23.5-4 反应性气体混合物通过一个无摩擦绝热喷嘴的膨胀682

23.6 利用宏观衡算求解非定常态问题685

例题23.6-1 化学反应器的开工685

例题23.6-2填料塔的非定常态操作686

例题23.6-3低阶矩的应用688

第24章 质量传递的其他机理696

24.1 熵的变化方程696

24.2 热量与质量通量的表达式698

例题24.2-1 热扩散与Clusius-Dickel塔702

例题24.2-2 加压扩散与超速离心机703

24.3 浓度扩散与推动力704

24.4 广义Maxwell-Stefan方程的应用705

例题24.4-1 蛋白质的离心分离706

例题24.4-2 蛋白质作为流体动力颗粒处理709

例题24.4-3 水溶液中盐的扩散710

例题24.4-4 局部电中性的偏离：电渗透712

例题24.4-5 另外一些质量传递推动力714

24.5 通过选择性渗透膜的质量传递715

例题24.5-1 两主体相之间的浓度扩散717

例题24.5-2超滤与反渗透718

例题24.5-3 带电膜与Donnan排斥721

24.6 多孔介质中的质量传递722

例题24.6-1 Knudsen扩散724

例题24.6-2 源自外部二元溶液的传递726

结束语733

附录A 矢量和张量的表示方法735

A.1 矢量运算的几何表示736

A.2 以分量表示的矢量运算738

例题A.2-1 一个矢量恒等式的证明741

A.3 以分量表示的张量运算742

A.4 矢量和张量的微分运算746

例题A.4-1 一个张量恒等式的证明748

A.5 矢量和张量的积分理论750

A.6 曲线坐标系中的矢量和张量代数751

A.7 曲线坐标系中的微分运算754

例题A.7-1 圆柱坐标系下的微分运算757

例题A.7-2 球坐标下的微分运算758

A.8 曲线坐标系中的积分运算762

A.9 矢量和张量表示方法的进一步评述764

附录B 通量和变化方程766

B.1 牛顿黏性定律766

B.2 Fourier热传导定律767

B.3 费克二元扩散（第一）定律768

B.4 连续性方程769

B.5 以τ写出的运动方程769

B.6 ρ和μ为常数的牛顿流体的运动方程770

B.7 牛顿流体的耗散函数φv［参见式（3.3-3）］771

B.8 以q表示的能量方程772

B.9 ρ和k为常数的牛顿流体的能量方程772

B.11 以ωA给出的ρDAB为常数的物种A的连续性方程773

B.10 以jα给出的物种α的连续性方程773

附录C 数学概要775

C.1 部分常微分方程及它们的解775

C.2 函数以泰勒级数展开776

C.3 积分的微分（Leibniz公式）777

C.4 Gamma函数777

C.5 双曲函数778

C.6 误差函数779

附录D 分子运动学说780

D.1 Boltzmann方程780

D.2 变化方程781

D.3 通量的分子表达式781

D.5 以传递性质表示的通量782

D.4 Boltzmann方程的解782

D.6 以分子间力表示的传递性质783

D.7 结束语783

附录E 传递性质推算用表784

E.1 分子间力的参数和临界性质（见表E.1）784

E.2 推算低密度气体传递性质所用的函数（见表E.2）785

附录F 常数和换算系数787

F.1 数学常数787

F.2 物理常数787

F.3 换算系数788

符号说明792

作者索引798

主题索引808