材料工程基础_孙宜华_9787568091824

本教材以材料工程共性基础理论为主线，从工程研究方法、工程基础理论和工程理论应用等方面介绍材料工程领域相关基本理论及其应用。强调理论知识与工程实践的有机结合，并试图将材料工程领域的先进科技成果充实其中，通过实际应用例子，加强分析与解决工程问题的能力，增强工程意识。本教材主要内容包括量纲分析与相似原理、流体力学基本原理及流体输送机械、热量传递原理及其应用、质量传递原理、物料干燥原理及技术、燃料及其燃烧过程与技术。

材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人们的衣食住行无不涉及材料。材料品种繁多，诸如金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等。不同的材料由于其结构、性质及工艺要求的不同，制备与加工过程由各种不同的单元操作过程组成。材料的制备与加工过程中要涉及许多物理和化学过程。对材料制备与加工过程的研究是材料研究领域的一个主要方面。虽然，不同材料的生产加工过程各不相同，甚至同一种材料也存在不同的生产过程，然而，无论哪种材料，其不同生产过程都需要遵循共同的工程原理，包括流体流动（动量传递）、热量传递、质量传递等。对这些具有共性的基本原理进行研究是材料工程原理需要解决的基本问题。围绕材料制备与加工过程中涉及的基本理论和基本知识，探讨需要解决的基本问题，是材料工程领域的主要任务。

材料工程基础是材料科学与工程专业及相关专业的课程体系中一门重要的专业基础课程。该课程是在掌握高等数学及相关物理和化学知识的基础上为进一步学习工程性专业课程奠定基础，是由基础课向工程科学的专业课过渡的入门课程。

本书内容涉及材料工程领域中的共性基础理论动量、能量和质量传递的基本规律，上述理论典型运用的单元过程物料的干燥和燃料的燃烧，以及工程研究方法量纲分析及相似理论。主要内容包括量纲分析与相似原理、流体力学基本原理及流体输送机械、热量传递原理及其应用、质量传递原理、物料干燥原理及技术、燃料及其燃烧过程与技术。

本书以材料工程共性基础理论为主线，从工程研究方法、工程基础理论和工程理论应用等方面介绍材料工程领域相关基本理论及其应用，既体现了教学内容各部分之间的逻辑性和整体性，又有利于学习者理解和掌握实际工程中的单元操作的规律。本书强调理论知识与工程实践的有机结合，并试图将材料工程领域的先进科技成果充实其中，通过实际应用例子，加强分析与解决工程问题的能力，增强工程意识。

由于课程的内容与实际生产过程和日常生活密切相关，因此在学习的过程中应紧密联系实际生产过程，注意对日常生活的观察和思考，对各个基本原理所涉及的物理或化学现象注重分析其影响因素及其相互之间的关系。同时，注意学习时逐步掌握各种分析问题和解决问题的方法与思路。

本书可作为材料科学与工程一级学科专业及其相应的二级学科专业的本科教学用书，以及材料与化工、材料工程等相关专业硕士研究生的教学参考书，也可供材料类工业领域中从事科研、生产的工程技术人员参考。

由于编者水平有限，书中存在疏漏、缺点和错误以及不完善之处在所难免，恳请广大师生和读者批评指正，以使之进一步完善。

第一章量纲分析与相似原理1

第一节量纲分析2

一、物理量的单位与量纲2

二、量纲和谐原理和定理6

三、量纲分析法9

第二节相似原理13

一、相似的概念13

二、相似理论基本定理19

三、相似准则的导出方法21

四、模型研究方法23

思考题32

习题33

第二章流体力学基础35

一、流体的主要物理性质36

二、作用在流体上的力42

三、描述流体的力学模型43

第一节流体静力学44

一、流体静压强及其特征44

二、流体压强的表示方法与度量单位46

三、流体静力学基本方程47

四、压强与压差的测量50

第二节一元不可压缩流体动力学基础53

一、描述流体运动的方法53

二、流体流动基本概念55

三、流体流动连续性方程57

四、元流能量方程元流伯努利方程59

五、总流能量方程总流伯努利方程62

六、稳态流动总流动量方程*69

第三节流动阻力和能量损失73

一、流动阻力和能量损失的类型73

二、流体流动形态及其判定74

三、圆管内的层流运动75

四、圆管内的湍流运动77

五、圆管内湍流的沿程阻力系数80

六、非圆管内流体流动沿程阻力损失84

七、管道内流体局部阻力损失85

八、减小阻力损失的措施89

九、边界层90

第四节管路基础92

第五节一元气体动力学基础*96

一、基本概念96

二、理想气体一元稳态流动运动方程98

三、气体一元稳态流动连续性方程101

第六节黏性流体力学基础*104

一、流体运动微分形式连续性方程104

二、黏性流体运动微分方程式105

三、黏性流体运动基本方程的求解109

第七节离心式风机与泵109

一、离心式风机与泵的工作原理110

二、离心式风机与泵的性能参数和性能曲线111

三、相似理论在离心式风机与泵中的应用113

四、离心式风机与泵的运行及工况调节116

五、离心式泵的气蚀与安装高度119

六、离心式风机与泵的选型121

思考题122

习题123

第三章传热学基础127

一、热量传递的基本概念128

二、热量传递的基本方式129

三、传热过程与传热热阻131

第一节传导传热131

一、热导率132

二、导热微分方程133

三、一维稳态导热136

四、多维稳定态导热*144

五、非稳态导热*146

第二节对流换热152

一、对流换热概述152

二、热边界层153

三、对流换热过程的数学描述154

四、对流换热的实验计算式155

五、有相变的对流换热*166

第三节辐射换热171

一、热辐射的基本概念171

二、黑体辐射定律175

三、实际物体和灰体的辐射178

四、角系数182

五、两个灰体之间的辐射换热185

六、多个灰体表面组成封闭系统时的辐射传热*188

七、辐射换热的强化与削弱191

八、气体辐射与火焰辐射*191

第四节综合传热过程与换热器195

一、传热过程与复合传热195

二、肋的导热与传热*198

三、换热器204

思考题207

习题208

第四章质量传递原理212

一、浓度213

二、传质的速度与通量214

第一节质量传递微分方程216

一、传质微分方程的推导216

二、传质微分方程的简化218

第二节分子扩散219

一、费克定律219

二、一维稳态分子扩散220

第三节对流传质225

一、对流传质机理分析225

二、浓度边界层226

三、对流传质系数226

第四节相际传质227

一、相平衡和相律228

二、亨利定律和拉乌尔定律229

三、相际传质的双膜阻理论230

四、相界面成分和薄膜传质系数230

五、总传质系数232

六、热质传递过程分析*233

第五节传质与化学反应235

一、非均匀化学反应与扩散传质235

二、均匀化学反应与扩散传质236

三、球形颗粒的缩核反应与传质237

第六节动量、热量和质量传递的类比*239

一、传递过程分析239

二、分子传递240

三、湍流传递241

四、动量、热量和质量传递的类比242

思考题243

习题244

第五章物料干燥245

第一节干燥静力学246

一、湿空气的性质246

二、湿空气的焓湿图及应用254

三、湿空气状态的变化过程257

第二节干燥过程分析与计算260

一、水分在气固两相间的平衡260

二、干燥过程的物料衡算和热量衡算262

三、干燥速率266

第三节干燥技术271

一、干燥设备的分类和基本要求271

二、对流干燥272

三、传导干燥274

四、辐射干燥275

五、场干燥技术276

思考题277

习题278

第六章燃料与燃烧280

第一节燃料的种类及其组成281

一、固体燃料281

二、液体燃料285

三、气体燃料286

第二节燃料的性质287

一、燃料的发热量287

二、煤的特性289

三、燃料油291

四、气体燃料293

第三节燃烧计算294

一、分析计算294

二、空气量和烟气量的近似计算301

三、操作计算301

第四节燃料的燃烧过程308

一、燃烧过程的基本理论309

二、不同燃料的燃烧过程314

第五节洁净燃烧技术321

一、燃烧污染与防治321

二、材料生产中的燃烧新技术325

思考题329

习题329

附录331

参考文献350

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