材料科学与工程中的传输原理

绪论1
0.1 传输现象在材料科学与工程研究中的地位和意义1
0.1.1 对一个铸件的充型凝固过程的分析1
0.1.2 对微观组织形成过程的分析3
0.1.3 传输现象在材料科学与工程研究中的地位和意义3
0.1.4 “传输原理”和“物理化学”是材料科学与工程研究的两大理论支柱3
0.2 微分方程是进行传输现象分析的核心工具3
0.3 本书叙述特点5
复习思考题6

第一篇 动量传输7
第1章 理论流体力学的科学布局7
1.1 流体力学的研究目标、研究方法和核心问题7
1.1.1 流体力学的研究目标7
1.1.2 研究流体的方法7
1.1.3 理论流体力学的核心问题：流场方程10
1.2 对实际流体运动分析引出的问题12
1.2.1 第一个等价关系12
1.2.2 第二个等价关系13
1.3 理论流体力学的研究布局14
1.4 流场形象化的研究15
1.4.1 迹线和流线15
1.4.2 流管、流束、流量17
复习思考题17

第2章 流体的两个主要性质19
2.1 流体的膨胀性和收缩性19
2.1.1 液体的压缩性和膨胀性19
2.1.2 气体的压缩性和膨胀性20
2.2 流体黏性及内摩擦定律21
2.2.1 牛顿黏度定律21
2.2.2 黏度22
2.3 对流体黏性的再讨论——非牛顿流体24
复习思考题25
习题25

第3章 理论流体力学的微分方程组27
3.1 实际流体微分方程组27
3.1.1 连续性方程27
3.1.2 实际流体动力学方程（N睸方程）30
3.1.3 对流体力学微分方程组的讨论33
3.2 理想流体的微分方程组35
复习思考题37
习题37

第4章 工程流体力学39
4.1 工程流体力学的典型模型、主要问题和研究布局39
4.2 理想流体的伯努利方程41
4.3 实际流体的伯努利方程42
4.3.1 实际流体的伯努利方程42
4.3.2 伯努利方程的几何意义和物理意义43
4.3.3 实际流体总流的伯努利方程45
4.4 稳定流的动量方程45
4.5 应用举例48
4.5.1 伯努利方程应用举例48
4.5.2 动量方程应用举例50
4.6 流体流态分析及阻力分类52
4.6.1 流态及Re数52
4.6.2 流动阻力分类55
4.7 圆管中层流流动的沿程阻力计算55
4.7.1 有效截面上的速度分布56
4.7.2 平均流速和流量57
4.7.3 管中层流沿程损失的达西公式57
4.8 圆管中湍流流动的沿程阻力计算59
4.8.1 湍流沿程损失的基本关系式59
4.8.2 对湍流沿程损失中有关参数的处理方式60
4.9 圆管中阻力系数值的确定62
4.10 局部阻力64
4.10.1 截面突然扩大的局部损失64
4.10.2 其他类型的局部损失65
4.11 平行平板间层流流动的速度分布和沿程阻力65
4.11.1 运动微分方程66
4.11.2 应用举例67
复习思考题68
习题69

第5章 边界层理论71
5.1 边界层理论的基本概念71
5.2 平面层流边界层微分方程72
5.3 边界层内积分方程74
5.4 平板绕流摩擦阻力计算76
5.5 流体力学的发展与研究展望78
复习思考题81
习题81

第6章 相似原理与量纲分析82
6.1 相似原理的重大意义82
6.2 相似匀速曲线运动分析83
6.2.1 相似匀速曲线运动分析83
6.2.2 流动相似的概念87
6.3 相似三定律及其蕴涵的哲学观念88
6.3.1 相似三定律88
6.3.2 相似三定律所蕴涵的哲学观念89
6.4 求解相似特征数的两种方法89
6.4.1 有控制方程的相似现象的相似特征数解法89
6.4.2 无控制方程的相似现象的相似特征数解法92
6.5 相似模型研究方法94
6.5.1 模型设计方法94
6.5.2 参数测试及实验结果处理95复习思考题96
习题97

第二篇 热量传输98
第7章 传热学概论98
7.1 传热学的研究目标、研究方法和核心问题98
7.1.1 传热学的研究对象98
7.1.2 研究传热的方法99
7.2 温度的来源及相关科学问题100
7.2.1 对冷热程度的度量——温度的建立100
7.2.2 自然科学定量化原则——视觉的科学101
7.3 温度场及其形象化103
7.3.1 温度场103
7.3.2 温度场的形象化方法103
7.4 热量传递的普遍性微分方程104
7.5 热传递方式106
7.5.1 导热106
7.5.2 对流换热107
7.5.3 热辐射108
复习思考题108
习题109

第8章 导热110
8.1 导热微分方程110
8.1.1 导热微分方程式及其定解条件110
8.1.2 对导热微分方程的评述112
8.2 导热微分方程的简化及其在工程中的应用112
8.2.1 一维稳态导热112
8.2.2 一维非稳态导热119
8.2.3 二维稳态导热126
8.2.4 二维及三维非稳态导热128
8.2.5 对工程导热问题的评述130
8.3 数值计算方法130
8.3.1 一维导热问题的直接差分法数值计算130
8.3.2 二维非稳态导热差分方程的建立134
复习思考题136
习题136

第9章 对流换热138
9.1 对流换热现象分析138
9.1.1 对流换热热流密度的表达式138
9.1.2 影响对流换热的主要因素139
9.2 对流换热数学模型的建立140
9.2.1 对流换热中的物理现象140
9.2.2 换热微分方程140
9.2.3 能量微分方程141
9.2.4 对流换热微分方程组讨论142
9.3 用相似原理求解对流换热系数143
9.3.1 对流换热过程的相似特征数143
9.3.2 对流换热的特征数方程式144
9.3.3 对流换热量纲分析147
9.4 工程中对流换热系数计算举例149
9.4.1 强制对流换热系数的计算149
9.4.2 自然对流换热的计算154
复习思考题157
习题157

第10章 辐射换热159
10.1 准备知识159
10.1.1 电磁波谱159
10.1.2 辐射能的吸收、反射和透射159
10.1.3 人工黑体模型160
10.1.4 黑体辐射的基尔霍夫定律161
10.2 辐射问题模型及其实验研究161
10.2.1 辐射换热强度的实验研究161
10.2.2 黑体单色辐射换热强度规律163
10.3 黑体单色辐射的研究历史及量子力学的诞生164
10.4 实际物体的辐射特性及灰体辐射166
10.4.1 固体和液体的辐射166
10.4.2 灰体的辐射167
10.5 黑体间的辐射换热及角系数167
10.5.1 黑体间的辐射换热168
10.5.2 角系数168
10.6 灰体间的辐射换热172
10.6.1 有效辐射172
10.6.2 两个灰体间的辐射换热172
10.6.3 具有重辐射面的封闭腔的辐射换热174
10.7 气体辐射175
10.7.1 气体辐射的特点175
10.7.2 气体的发射率176
10.7.3 辐射换热176
10.8 对流与辐射共同存在时的热量传输179
10.9 传热学的发展概说及非傅里叶导热效应179
10.9.1 传热学的发展历史概况179
10.9.2 非傅里叶导热效应的研究180
复习思考题181
习题182

第三篇 质量传输184
第11章 传质学概论184
11.1 传质学的研究目标、研究方法和核心问题184
11.1.1 为什么要研究传质学？传质学的研究目标184
11.1.2 传质学的研究方法和核心问题184
11.1.3 建立质量传输微分方程时出现的问题188
11.1.4 传质学研究布局189
11.2 菲克第一定律及扩散系数189
11.2.1 菲克第一定律（Fick’slaw）189
11.2.2 对扩散系数的讨论190
11.3 扩散通量密度191
11.4 质量传输微分方程及定解条件194
11.4.1 质量传输微分方程194
11.4.2 定解条件196
复习思考题196
习题197

第12章 分子传质198
12.1 一维稳定态分子扩散198
12.1.1 等摩尔逆向扩散198
12.1.2 通过静止气膜的单向扩散200
12.1.3 气体通过金属膜的扩散201
12.2 非稳定态分子扩散203
12.2.1 忽略表面阻力的半无限大介质中的非稳定态分子扩散203
12.2.2 几种简单几何形状物体中的非稳定态分子扩散205
12.2.3 二维和三维非稳态分子扩散205
复习思考题205
习题205

第13章 对流传质207
13.1 对流传质微分方程207
13.1.1 对对流传质的分析207
13.1.2 对流传质微分方程和Sh数207
13.2 对流传质的量纲分析208
13.2.1 强制对流传质208
13.2.2 自然对流传质209
13.3 求解对流传质系数的工程举例210
13.3.1 平板和球的传质210
13.3.2 管内湍流传质211
13.3.3 液滴和气泡内的传质211
13.4 传质系数模型212
13.4.1 薄膜理论212
13.4.2 渗透理论213
13.4.3 表面更新理论213
13.5 动量、热量和质量传输的类比214
13.5.1 层流传输（分子传递）的类似性214
13.5.2 湍流传输的类似性216
13.5.3 三种传输的类比217
复习思考题219
习题219

附录221
附录A 高斯误差函数表221
附录B 金属材料的密度、比定压热容和热导率221
附录C 几种保温、耐火材料的热导率与温度的关系222
附录D 饱和水的热物理性质223
附录E 液态金属的热物理性质224
附录F 干空气的热物理性质224
附录G 在大气压力下烟气的热物理性质225
附录H 二元体系的质量扩散系数226
附录I 固体材料沿表面法线方向上辐射发射率ε（εn）227
附录J 主要物理量的单位换算表227
参考文献229