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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