Fluid Flow for the Practicing Chemical Engineer pdf epub mobi txt 電子書 下載 在線閱讀 2026

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出版者:

作者:Theodore, Louis

出品人:

頁數:600

译者:

出版時間:2009-7

價格:882.00元

裝幀:

isbn號碼:9780470317631

叢書系列:

圖書標籤:

• 化學工程
• 流體力學
• 傳質
• 流體流動
• 化學反應工程
• 過程設計
• 工業應用
• 流體動力學
• 輸運現象
• 工程數學

流體動力學：工程實踐中的關鍵原理與應用 流體，作為我們宇宙中最普遍的存在之一，其行為的理解和駕馭，是諸多工程領域，尤其是化學工程，得以高效運轉的基石。從石油化工的巨型管道輸送，到製藥行業的精密灌注，再到食品飲料的加工與包裝，無不與流體的流動息息相關。本書將帶領讀者深入探索流體動力學的奧秘，聚焦於那些在實際工程應用中至關重要的原理和方法，旨在為未來的化學工程師提供一套堅實而實用的知識體係。 第一章：流體及其基本性質 本章將從流體最基礎的概念入手。我們將界定什麼是流體，以及它與固體的根本區彆，主要體現在其抵抗剪應力的能力。隨後，我們將詳細闡述流體在靜止狀態下錶現齣的關鍵性質：密度、比重、比容以及壓強。壓強的概念將得到深入剖析，包括其在不同深度下的變化規律（靜水壓強），以及泊斯葉定律（Poiseuille's Law）如何描述壓強與高度、重力加速度和流體密度的關係。 緊接著，我們將轉嚮流體的動態特性。粘度，作為流體抵抗變形能力的度量，是理解流體流動行為的核心。我們將區分動力粘度（dynamic viscosity）和運動粘度（kinematic viscosity），並介紹它們之間的關係。對於粘度隨溫度和壓強變化的現象，我們將提供基於實驗數據和經驗關聯式的分析方法。錶麵張力，雖然在宏觀流動中可能顯得微不足道，但在微流控、液滴形成等特殊應用中卻扮演著關鍵角色，本章也將對其進行介紹。最後，我們會簡要提及流體的可壓縮性，特彆是在氣體流動中，以及其對流動行為的影響。 第二章：流體靜力學 在上一章對流體基本性質有瞭充分認識的基礎上，本章將專注於流體在靜止狀態下的力學行為，即流體靜力學。我們將深入研究壓強的概念，特彆是流體內部的壓強分布。巴斯卡定律（Pascal's Law）將得到詳細闡述，它解釋瞭為何密閉流體中的壓強能夠均勻傳遞，這構成瞭液壓係統（如液壓韆斤頂、液壓製動器）工作原理的核心。 本章將重點介紹浮力和阿基米德原理（Archimedes' Principle），解釋為何物體在流體中會受到嚮上的浮力，以及如何利用該原理判斷物體的沉浮狀態。我們將通過實例分析，例如船隻的浮力設計、潛艇的下潛與上浮機製，來加深讀者對浮力應用的理解。 此外，我們將探討容器壁上承受的靜水壓強分布，以及如何計算總的壓強力和壓強作用點。這對於設計儲罐、閘門等結構至關重要。本章還會涉及流體界麵上的自由錶麵以及多層流體界麵的壓強計算。 第三章：流體流動基本概念與守恒定律 本章將標誌著我們從流體的靜態行為轉嚮其動態流動。我們將引入流體流動的基本描述方式，包括拉格朗日描述（Lagrangian description）和歐拉描述（Eulerian description）。理解這兩種描述方法對於分析復雜的流動場至關重要。 隨後，我們將深入探討流體流動的基本守恒定律。質量守恒定律，在流體動力學中錶現為連續性方程（Continuity Equation），我們將通過一維、二維以及三維形式推導其方程，並分析其在不同流動模型（如恒定流動、非恒定流動、可壓縮流動、不可壓縮流動）下的應用。 能量守恒定律，在流體流動中則體現為伯努利方程（Bernoulli's Equation）。我們將詳細推導伯努利方程，並解釋其中各項的物理意義：動能項、勢能項以及壓強項。伯努利方程的適用條件，如無粘性、不可壓縮、沿流綫流動等，將得到清晰的界定，同時也會探討如何修正伯努利方程以考慮實際流體中的能量損失（如摩擦損失和局部損失）。 動量守恒定律，在流體動力學中則體現為動量方程（Momentum Equation），它描述瞭作用在流體上的力與流體動量變化之間的關係。我們將介紹如何利用動量方程分析流體對固定或移動物體産生的力，例如噴嘴射流對擋闆的作用力。 第四章：量綱分析與相似性原理 在復雜的工程問題中，直接通過實驗或數值計算可能成本高昂且耗時。量綱分析（Dimensional Analysis）和相似性原理（Principle of Similarity）為我們提供瞭一種強大的工具，能夠從數量龐大的變量中提煉齣關鍵的無量綱參數，從而簡化問題，並在模型試驗的基礎上預測原型係統的行為。 本章將詳細介紹量綱分析的基本原理，包括量綱（dimension）和單位（unit）的區彆，以及如何利用 Buckingham Pi 定理（Buckingham Pi Theorem）來確定無量綱參數的個數及其形式。我們將探討常見的工程無量綱參數，例如雷諾數（Reynolds Number），它錶徵慣性力和粘性力的比值，是判斷流動狀態（層流、湍流）的關鍵；弗勞德數（Froude Number），它與重力和流速相關，常用於開放渠道流動和船舶設計；韋伯數（Weber Number），它與錶麵張力相關，常用於液滴形成和噴霧過程。 相似性原理則建立在量綱分析的基礎上，它指齣當幾何相似、運動相似和物理條件相似時，模型試驗的結果可以準確地反映原型係統的性能。我們將探討不同類型的相似性，以及如何選擇閤適的模型參數和試驗條件，以確保模型試驗的有效性。 第五章：粘性流體流動：管道流 本章將聚焦於流體動力學中最常見的應用場景之一：粘性流體在管道中的流動。我們將深入分析管道流動的兩個基本狀態：層流（Laminar Flow）和湍流（Turbulent Flow）。通過雷諾數的不同取值範圍，我們將區分這兩種流動模式。 對於層流，我們將詳細推導哈根-泊斯葉方程（Hagen-Poiseuille Equation），該方程精確地描述瞭圓管層流中流量與壓強降之間的關係，並探討瞭其在不同管徑、管長和流體粘度下的變化。 而對於更為普遍的湍流，由於其復雜性和隨機性，我們無法獲得精確的解析解。本章將介紹描述湍流流動的重要概念，如湍流強度、混閤長度理論（Mixing Length Theory）和普朗特模型（Prandtl's Model）。我們將重點研究實際管道流動中不可避免的能量損失——摩擦損失（Friction Loss）。摩擦因子（Friction Factor）是計算管道壓強降的核心參數，我們將介紹其與雷諾數和管道內壁粗糙度之間的關係，並通過莫迪圖（Moody Diagram）來方便地查找摩擦因子。 本章還將討論管道係統中的局部損失（Minor Losses），例如由於閥門、彎頭、截麵突變等引起的能量損失，並提供計算這些局部損失的方法。最終，我們將綜閤運用所學知識，解決包含多段管道、閥門和附件的復雜管道係統中的流量和壓強降計算問題。 第六章：明渠流動 明渠流動是指流體在一個錶麵不是完全封閉的渠道中流動的現象，例如河流、灌溉渠、下水道等。本章將重點分析這類流動。我們將介紹明渠流動的基本概念，如流速分布、水力半徑、流態（層流、湍流），以及與管道流相比的特點，例如自由液麵以及受大氣壓強的影響。 本章將深入研究均勻流（Uniform Flow），即在流動過程中，水的深度和流速保持不變的情況。我們將推導並應用謝纔公式（Chezy Formula）和曼寜公式（Manning's Formula）來計算明渠中的流速和流量，並解釋公式中各項的含義，例如糙率係數。 除瞭均勻流，我們還將探討非均勻流（Non-uniform Flow），特彆是緩流（Subcritical Flow）和急流（Supercritical Flow）之間的區分，以及如何計算水躍（Hydraulic Jump），這是一種流態急劇變化的現象，在工程中具有重要意義。本章還將簡要介紹明渠流動的穩定性問題，以及如何設計閤理的渠係以滿足農業灌溉、防洪等需求。 第七章：流體機械 流體機械是工程中用於輸送、提升或利用流體能量的設備，它們在化工生産過程中扮演著至關重要的角色。本章將對主要的流體機械進行介紹和分析。 首先，我們將關注泵（Pumps），它們用於將流體從低壓區域輸送到高壓區域，或者提升流體的高度。我們將區分離心泵（Centrifugal Pumps）和容積泵（Positive Displacement Pumps）兩大類，並詳細介紹離心泵的工作原理、性能麯綫（流量-揚程麯綫、效率麯綫、功率麯綫）以及選擇和操作要點。容積泵，如齒輪泵、螺杆泵等，因其恒定的流量特性，在某些特殊場閤有其獨特的優勢。 接下來，我們將探討風機（Fans）和壓縮機（Compressors），它們是用於處理氣體流體的流體機械。風機主要用於輸送氣體，通常壓強升不大；而壓縮機則用於顯著提高氣體的壓強。我們將分析它們的性能參數和應用場景。 此外，我們還將介紹渦輪機（Turbines），它們是流體機械的另一重要分支，用於從流體中提取能量，將其轉化為機械能。水輪機（Water Turbines）和汽輪機（Steam Turbines）是常見的例子，我們將簡要介紹其工作原理以及在發電等領域的應用。 第八章：非牛頓流體流動 絕大多數的流體動力學理論和公式都是基於牛頓流體（Newtonian Fluids）建立的，即其剪應力與剪切速率呈綫性關係。然而，在化學工程領域，許多重要的流體，如聚閤物溶液、懸浮液、乳液、糊狀物等，都錶現齣非牛頓流體的特性。本章將專門探討非牛頓流體的流動行為。 我們將介紹幾種常見的非牛頓流體模型，包括冪律流體（Power-Law Fluids），例如卡門-斯托剋斯模型（Carreau-Yasuda Model）等，以及剪切變稀流體（Shear-Thinning Fluids）和剪切增稠流體（Shear-Thickening Fluids）。我們將分析這些模型如何描述流體的錶觀粘度（Apparent Viscosity）隨剪切速率的變化。 本章將側重於非牛頓流體在管道中的流動，以及如何修正泊斯葉定律和摩擦因子計算方法來適應非牛頓流體的特性。我們將探討影響非牛頓流體流動的關鍵因素，並提供相關的計算方法和工程應用實例。 第九章：多相流動的基本概念 在實際的化工過程中，很多操作都涉及到兩種或兩種以上相互不混溶的相的流動，例如氣液兩相、液液兩相、氣固兩相、液固兩相以及三相流。這類流動被稱為多相流（Multiphase Flow），其復雜性遠超單相流。本章將介紹多相流動的基本概念和分類。 我們將討論多相流動的流型（Flow Patterns），例如氣泡流、彈狀流、環狀流、夾帶流等，並分析不同流型對傳質、傳熱和壓降的影響。流型的識彆和預測是研究多相流動的關鍵一步。 本章還將介紹描述多相流動的常用模型，例如歐拉-歐拉模型（Euler-Euler Model）和歐拉-拉格朗日模型（Euler-Lagrangian Model），以及如何計算多相流動的壓強降和相間相互作用力。我們將通過具體的工程實例，如多相反應器、氣液分離器、氣力輸送等，來展示多相流動的工程意義。 第十章：流體流動中的傳熱 流體流動往往伴隨著傳熱過程，這在化工設備的加熱、冷卻、蒸發、冷凝等操作中至關重要。本章將把流體動力學與傳熱學相結閤，分析流體流動對傳熱效率的影響。 我們將迴顧傳熱的基本定律，如傅裏葉導熱定律和牛頓冷卻定律。隨後，我們將重點研究對流傳熱（Convective Heat Transfer），特彆是強製對流（Forced Convection）和自然對流（Natural Convection）。 本章將深入探討對流傳熱係數（Convective Heat Transfer Coefficient）的計算。我們將引入努塞爾數（Nusselt Number）這一無量綱參數，它錶徵瞭對流傳熱與導熱之比，並介紹其與雷諾數、普朗特數（Prandtl Number）等流體性質參數之間的關聯式，例如Dittus-Boelter方程和Sieder-Tate方程。 我們還將討論不同傳熱模式下的應用，如管道內的強製對流換熱，以及在換熱器設計中的關鍵考慮因素，包括換熱麵積、傳熱溫差和總傳熱係數。 第十一章：流動過程中的化學反應 在化學工程領域，許多重要的反應過程都發生在流動體係中。本章將把流體流動與化學反應結閤起來，探討流動對反應速率和轉化率的影響。 我們將迴顧化學反應動力學的基本概念，如反應速率、轉化率、反應級數和錶觀活化能。隨後，我們將重點分析流動如何影響反應過程。例如，在固定床反應器中，催化劑顆粒的流動特性會影響物料的接觸效率和傳質速率，進而影響反應速率。在鼓泡塔或攪拌釜反應器中，流體的混閤程度對反應的均勻性和轉化率有直接影響。 本章將介紹一些關鍵的流動-反應耦閤概念，例如擴散控製反應、混閤控製反應以及反應動力學控製反應。我們將分析影響流體流動和化學反應相互作用的因素，並提供一些簡單模型的分析方法，以幫助讀者理解和設計此類過程。 第十二章：流體動力學在工程設計中的應用案例 在本書的最後一章，我們將迴歸工程實踐，通過具體的案例來鞏固和應用前麵所學的流體動力學知識。這些案例將涵蓋化學工程中的多個重要領域，例如： 管道網絡設計與優化：如何計算復雜管道網絡中的流量分配和壓強降，以及如何選擇閤適的管徑和泵，以達到經濟高效的輸送目的。 反應器設計：如何根據流體動力學特性選擇和設計閤適的反應器類型（如管式反應器、釜式反應器、流化床反應器），並估算其性能。 換熱器設計：如何計算不同類型換熱器中的傳熱量，並選擇閤適的流體流動方式以提高換熱效率。 分離設備設計：例如，在蒸餾塔、萃取塔、過濾器等設備中，流體流動對分離效率的影響。 過程安全分析：例如，如何估算管道破裂時的泄放速率，以及如何設計泄壓裝置。 通過對這些實際工程問題的深入分析和解答，讀者將能夠更清晰地認識到流體動力學在化學工程實踐中的重要性，並掌握將其應用於解決實際工程挑戰的技能。本書的最終目標是賦能讀者，使其能夠自信地應對流體流動帶來的各種工程問題。

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