材料工程基础

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。材料在制备与加工过程中要经过许多的物理和化学过程。不同材料由于其结构、性质及工艺要求的不同，制备与加工过程由各自不同的单元操作过程组成。但是，无论哪种材料，其不同生产过程均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。围绕着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基础课程。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。主要内容包括量纲分析及相似理论、流体流动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。
教材对工程研究方法的基础——量纲分析及相似理论进行了较系统地介绍，同时对动量传递、热量传递和质量传递的共性进行分析，不仅体现了教材中各部分内容之间的逻辑性和整体性，也有利于学习者理解和掌握实际工程中的单元操作的规律。在此基础上，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。
本书由武汉理工大学文进任主编，武汉理工大学谢峻林和朱明参加编写。第1章由朱明编写，第2~第5章由文进编写，第6章由谢峻林编写。
教材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，以及相关学科专业的参考书，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。
由于水平有限，书中不完善之处在所难免，敬请同仁和读者批评指正，以使本教材日臻完善。

编者
2016年3月

本教材以材料制备与加工过程中涉及的工程基础理论为主线，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的基本理论及其应用。主要内容包括量纲分析及相似理论、流体流动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。
教材注重各部分内容之间的逻辑性和整体性，加强对解决实际工程问题的研究分析方法的介绍。教材可作为高等学校材料类所有专业的本科教学用书，以及相关学科专业的参考书，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。

1量纲分析理论与相似原理001
1.1绪论001
1.2量纲分析原理002
1.2.1物理量的单位与量纲002
1.2.2物理量间函数关系的结构和π定理006
1.2.3量纲的和谐性和完整性009
1.2.4量纲分析的指数法011
1.2.5量纲分析的矩阵法013
1.3相似理论基础016
1.3.1相似的概念017
1.3.2相似理论基本定理022
1.3.3相似准则的导出方法024
1.4模型研究方法030
1.4.1模型实验的一般原则031
1.4.2数据整理与综合方法033
1.4.3实体模型研究方法034
思考题035
习题036
2流体力学基础038
2.1绪论038
2.1.1流体力学及其任务038
2.1.2连续介质模型039
2.1.3流体的主要物理性质040
2.1.4作用在流体上的力044
2.2流体静力学045
2.2.1流体静压强及其特性045
2.2.2流体平衡微分方程047
2.2.3重力场中的流体静力学基本方程048
2.3流体运动学和动力学基础053
2.3.1研究流体运动的方法053
2.3.2流体流动的基本概念055
2.3.3连续性方程058
2.3.4流体运动微分方程060
2.3.5能量方程063
2.3.6动量方程071
2.4流动阻力与能量损失073
2.4.1流动阻力与能量损失的分类073
2.4.2流体的流动状态074
2.4.3圆管中的层流运动076
2.4.4管内的湍流运动078
2.4.5沿程阻力损失081
2.4.6局部阻力损失086
2.4.7减少阻力损失的措施090
2.4.8边界层090
2.5管路计算092
2.5.1简单管路092
2.5.2串联管路和并联管路093
2.6一元气体动力学基础*095
2.6.1基本概念095
2.6.2理想流体一元恒定流动基本方程097
2.6.3喷管中的一元流动098
2.7离心式风机与泵100
2.7.1离心式风机与泵的工作原理100
2.7.2离心式风机与泵性能参数和性能曲线101
2.7.3相似理论在离心式风机与泵中的应用103
2.7.4离心式风机与泵的运行及工况调节106
2.7.5离心式泵的气蚀与安装高度108
2.7.6离心式风机与泵的选型110
思考题111
习题111
3传热学基础115
3.1概述115
3.1.1热量传递的基本概念115
3.1.2热量传递的基本方式117
3.1.3传热过程与传热热阻118
3.2传导传热119
3.2.1热导率119
3.2.2导热微分方程121
3.2.3一维稳态导热123
3.2.4多维稳定态导热*131
3.2.5非稳定态导热*135
3.3对流换热139
3.3.1对流换热概述139
3.3.2热边界层141
3.3.3对流换热过程的数学描述141
3.3.4对流换热的实验计算式142
3.4辐射换热152
3.4.1热辐射的基本概念152
3.4.2热辐射的基本定律155
3.4.3黑体间的辐射换热159
3.4.4物体间的辐射换热161
3.4.5气体辐射与火焰辐射169
3.5综合传热过程与换热器173
3.5.1传热过程与复合传热173
3.5.2换热器175
思考题179
习题180
4质量传递原理184
4.1概述184
4.2质量传递的基本概念184
4.2.1混合物组成的表示方法184
4.2.2传质的速度与通量185
4.3质量传递微分方程188
4.3.1传质微分方程的推导188
4.3.2传质微分方程的简化189
4.4分子扩散190
4.4.1费克定律190
4.4.2一维稳态分子扩散192
4.5对流传质195
4.5.1对流传质机理分析195
4.5.2浓度边界层196
4.5.3对流传质系数196
4.6热质传递过程分析197
4.6.1水在空气中蒸发时的热质传递197
4.6.2毛细多孔体的热质传递198
4.7动量传递、热量传递和质量传递的类比199
4.7.1传递过程分析199
4.7.2分子传递200
4.7.3湍流传递201
4.7.4动量、热量和质量传递的类比202
思考题203
习题203
5物料干燥205
5.1概述205
5.1.1固体物料的去湿方法205
5.1.2物料的干燥方法205
5.2干燥静力学206
5.2.1湿空气的性质206
5.2.2湿空气的焓湿图及应用213
5.2.3湿空气状态的变化过程216
5.3干燥过程分析与计算219
5.3.1水分在气固两相间的平衡219
5.3.2干燥过程的物料衡算和热量衡算220
5.3.3干燥速率224
5.4干燥技术229
5.4.1干燥设备的分类和基本要求229
5.4.2对流干燥229
5.4.3传导干燥231
5.4.4辐射干燥232
5.4.5场干燥技术233
思考题234
习题234
6燃料及其燃烧236
6.1燃料的种类及其组成236
6.1.1固体燃料236
6.1.2液体燃料240
6.1.3气体燃料241
6.2燃料的性质242
6.2.1燃料的发热量242
6.2.2煤的特性244
6.2.3燃料油246
6.2.4气体燃料247
6.3燃烧计算249
6.3.1分析计算249
6.3.2空气量和烟气量的近似计算254
6.3.3操作计算255
6.3.4燃烧温度计算258
6.4燃料的燃烧过程262
6.4.1燃烧过程的基本理论262
6.4.2不同燃料的燃烧过程267
6.5洁净燃烧技术273
6.5.1燃烧污染与防治273
6.5.2材料生产中的燃烧新技术277
思考题279
习题279
附录281
附录1干空气的物理性质（101.325kPa）281
附录2饱和水的物性参数282
附录3饱和水蒸气表283
附录4标准大气压下烟气的物性参数285
附录5气体的平均比热容286
附录6固体材料的物理性质287
附录7某些材料在法线方向上的辐射率289
附录8一维非稳态导热算图290
附录9CO2和水蒸气辐射率计算图292
附录10常见的角系数算图294
附录11常见物系的扩散系数295
参考文献297

本教材以材料制备与加工过程中涉及的工程基础理论为主线，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的基本理论及其应用。主要内容包括量纲分析及相似理论、流体流动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。
教材注重各部分内容之间的逻辑性和整体性，加强对解决实际工程问题的研究分析方法的介绍。教材可作为高等学校材料类所有专业的本科教学用书，以及相关学科专业的参考书，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。