本书内容包括流体力学、工程热力学和传热学三大部分。流体力学部分包括流体力学概述、流体的属性、流体静力学、流体动力学、相似原理和量纲分析、黏性流体流动。工程热力学部分包括工程热力学概述、工程热力学基本概念、热力学第一定律及其应用、理想气体的性质与热力过程、热力学第二定律、水蒸气的热力性质、动力循环、制冷循环。传热学部分包括传热学概述、稳态热传导、非稳态热传导、对流传热、热辐射基础理论、辐射传热计算、换热器的传热计算。本书可作为智能制造专业和机械工程专业的教材，也可供暖通空调等相关专业的工程技术人员参考。

前 言 本书是在总结青岛科技大学机电工程学院多年来“流体力学”“工程热力学”和“传热学”课程教学改革成果的基础上针对智能制造专业编写的。本书在阐述上着重以原理为基础，注重突出重点、精简内容、减少篇幅，强调对问题的分析。本书还适量增加了与智能制造有关的科研进展的内容，做到与时俱进，以适应我国教育和科技的飞速发展。 流体力学、工程热力学和传热学是热工专业的三大基础课程，内容丰富。流体力学研究流体的平衡和运动规律，并据此计算工程中所需的流体压力和速度。工程热力学主要研究热能与机械能相互转换的规律、方法及提高转化率的途径。传热学研究热量传递的规律、方法及其工程应用，以计算温度场、热流量等参数。近几年，许多院校将流体力学、工程热力学和传热学整合为一门课程。本书是将流体力学、工程热力学和传热学的经典内容，按照其内在联系和人们的认识规律，按照科学教育教学规律优化组合而成的。 全书由何燕、张晓光、李红艳、周艳和姜婕妤合编。何燕担任主编；李红艳编写流体力学部分；周艳编写工程热力学部分；张晓光、姜婕妤编写传热学部分。 限于编者水平，书中难免存在不足，恳请读者批评指正。 本书的出版得到了青岛科技大学机电工程学院（智能制造学院）、教务处的大力支持，在此表示感谢。 编者 2022年11月

目 录 第1篇 流 体 力 学 第1章 流体力学概述 1 1.1 流体力学的范畴 1 1.1.1 定义和特征 1 1.1.2 连续介质模型 1 1.1.3 研究内容 2 1.2 流体力学与生活、工程技术的关系 2 1.2.1 流体力学与生活的关系 2 1.2.2 流体力学与工程技术的关系 3 1.3 流体力学的发展历史 3 1.4 流体力学的研究方法 5 第2章 流体的属性 6 2.1 流体的基本属性 6 2.1.1 密度 6 2.1.2 重度 6 2.1.3 比容 7 2.1.4 气体的状态方程 7 2.2 流体的可压缩性和膨胀性 7 2.2.1 流体的可压缩性 7 2.2.2 流体的膨胀性 7 2.3 流体的黏性 8 2.3.1 黏性产生的原因 8 2.3.2 牛顿内摩擦定律 9 2.3.3 理想流体和黏性流体 10 2.4 液体的表面性质 12 2.4.1 表面张力 12 2.4.2 毛细现象 12 习题 13 第3章 流体静力学 15 3.1 静止压强的特性 15 3.2 静止流场的基本方程 16 3.2.1 流体平衡微分方程 16 3.2.2 压差方程 17 3.3 重力场中静止压强的分布 18 3.3.1 压强方程 18 3.3.2 压强分布 19 3.3.3 压强测量 19 3.4 惯性力场中的静止流体 22 3.4.1 匀加速直线运动 22 3.4.2 等角速度转动 24 3.5 静止流体作用在壁面上的力 26 3.5.1 作用在平面上的力 26 3.5.2 作用在曲面上的力 28 3.5.3 浮力及浸没物体的稳定性 30 习题 31 第4章 流体动力学 35 4.1 流体运动的描述方法 35 4.1.1 拉格朗日法 35 4.1.2 欧拉法 35 4.1.3 拉格朗日法与欧拉法的关系 36 4.1.4 物理量的时间导数(偏导数、全导数、随体导数的物理意义) 37 4.2 流场的分类 38 4.2.1 定常与非定常 38 4.2.2 均匀与非均匀 38 4.2.3 流动的维数 38 4.3 迹线、流线 39 4.3.1 迹线 39 4.3.2 流线 39 4.4 流管、流束、流量、净通量、平均流速与当量直径 41 4.4.1 流管与流束 41 4.4.2 流量与净通量 41 4.4.3 平均流速 42 4.4.4 当量直径 42 4.5 控制方程 43 4.5.1 系统和控制体 43 4.5.2 输运公式 43 4.5.3 连续性方程 45 4.5.4 动量方程 45 4.5.5 能量方程 46 习题 47 第5章 相似原理和量纲分析 51 5.1 流动的力学相似 51 5.2 动力相似准则 52 5.2.1 牛顿相似准则 52 5.2.2 重力相似准则 52 5.2.3 黏性力相似准则 53 5.2.4 压力相似准则 53 5.2.5 表面张力相似准则 54 5.3 近似的模型实验 54 5.4 量纲分析法 56 习题 58 第6章 黏性流体流动 60 6.1 流体的两种状态 60 6.2 黏性流体流动的边界层 61 6.3 管道进口段黏性流体的流动 62 6.4 圆管中黏性流体的层流流动 63 6.5 圆管中黏性流体的紊流流动 66 6.5.1 紊流光滑管情况 67 6.5.2 紊流粗糙管情况 69 6.6 黏性流体的损失 69 6.6.1 沿程损失计算 69 6.6.2 局部损失计算 71 习题 74 第2篇 工程热力学 第7章 工程热力学概述 77 7.1 热力学简介 77 7.2 热力学及涉及领域 77 7.3 工程热力学的主要研究内容及方法 78 7.3.1 工程热力学的主要研究内容 78 7.3.2 工程热力学的研究方法 78 第8章 工程热力学基本概念 79 8.1 热力系统 79 8.2 状态及状态参数 80 8.2.1 状态参数的特征 80 8.2.2 温度 80 8.2.3 压力 80 8.2.4 比体积及密度 82 8.3 平衡状态、状态方程式、坐标图 82 8.4 工质的状态变化过程 83 8.4.1 准平衡过程 83 8.4.2 可逆过程和不可逆过程 84 8.5 过程功和热量 84 8.5.1 可逆过程的功 84 8.5.2 有用功 85 8.5.3 过程热量 85 8.6 热力循环 86 习题 87 第9章 热力学第一定律及其应用 89 9.1 热力学第一定律的实质及表达式 89 9.2 闭口系统中热力学第一定律的表述 89 9.2.1 热力学能和总能 89 9.2.2 闭口系统的能量方程式 90 9.3 开口系统稳定流动的能量方程式 91 9.3.1 推动功和流动功 91 9.3.2 焓 91 9.3.3 稳定流动的特征 92 9.3.4 稳定流动的能量方程式 92 9.4 技术功 93 9.4.1 技术功的定义 93 9.4.2 可逆过程中的技术功 94 9.5 稳定流动能量方程式的应用 95 9.5.1 热交换器 96 9.5.2 动力机械 96 9.5.3 管道 96 9.5.4 绝热节流 96 习题 97 第10章 理想气体的性质与热力过程 99 10.1 理想气体的性质 99 10.1.1 理想气体的概念 99 10.1.2 理想气体的状态方程 99 10.1.3 理想气体的比热容 100 10.1.4 理想气体的热力学能、焓和熵 104 10.2 混合理想气体 106 10.2.1 混合理想气体的基本定律 106 10.2.2 混合气体的成分 106 10.2.3 混合理想气体的比热容、热力学能和焓 107 10.3 理想气体的热力过程 109 10.3.1 研究热力过程的目的及一般方法 109 10.3.2 理想气体的基本热力过程 109 10.3.3 多变过程 116 10.4 气体的压缩过程 121 10.4.1 单级活塞式压气机的工作原理 121 10.4.2 多级压缩和级间冷却 122 10.4.3 单级活塞式压气机的实际过程 123 10.5 气体在喷管中的流动过程 127 10.5.1 稳定流动中的基本方程式 127 10.5.2 喷管截面的变化规律 128 10.5.3 喷管的计算 129 习题 133 第11章 热力学第二定律 136 11.1 自发过程的方向性与热力学第二定律的表述 136 11.1.1 自发过程的方向性 136 11.1.2 热力学第二定律的表述 136 11.2 卡诺循环与卡诺定理 137 11.2.1 卡诺循环 137 11.2.2 卡诺定理 138 11.3 热力学第二定律的数学表达式 140 11.3.1 克劳修斯不等式 140 11.3.2 熵的导出 142 11.3.3 不可逆过程的熵变 143 11.4 孤立系统熵增原理 145 11.4.1 孤立系统的熵增原理 145 11.4.2 做功能力的损失 147 习题 148 第12章 水蒸气的热力性质 150 12.1 水的定压加热汽化过程 150 12.2 水和水蒸气的状态参数 151 12.2.1 水蒸气表 151 12.2.2 水蒸气图 154 12.3 水蒸气的基本过程 155 习题 157 第13章 动力循环 159 13.1 蒸汽动力装置循环 159 13.1.1 兰金循环 159 13.1.2 兰金循环分析 159 13.1.3 蒸汽参数对循环的影响 161 13.1.4 提高蒸汽动力循环效率的其他措施 162 13.2 活塞式内燃机的实际循环 164 13.2.1 活塞式内燃机的理想循环 164 13.2.2 活塞式内燃机的理想循环的分析 165 13.2.3 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 168 13.3 燃气轮机装置的循环 169 13.3.1 燃气轮机装置简介 169 13.3.2 燃气轮机装置定压加热理想循环—布雷顿循环 170 习题 172 第14章 制冷循环 174 14.1 空气压缩式制冷循环 174 14.2 蒸汽压缩式制冷循环 176 14.3 吸收式制冷循环 178 14.4 热泵 179 习题 179 第3篇 传 热 学 第15章 传热学概述 181 15.1 传热学研究内容 181 15.1.1 传热学研究对象和任务 181 15.1.2 传热学在科学技术和工程中的应用 181 15.2 热量传递的三种基本方式 182 15.2.1 热传导 183 15.2.2 热对流 184 15.2.3 热辐射 185 15.2.4 传热过程 186 15.2.5 传热热阻 188 15.3 传热学的研究方法 189 习题 190 第16章 稳态热传导 192 16.1 概述 192 16.1.1 热传导的物理机理 192 16.1.2 热传导的基本定律 192 16.1.3 导热系数 194 16.2 热传导微分方程 195 16.2.1 热传导微分方程推导 195 16.2.2 边界条件和初始条件 198 16.3 一维稳态热传导问题 200 16.3.1 平壁 200 16.3.2 圆筒壁 203 16.3.3 球壳 206 16.4 肋片热传导问题 207 16.4.1 肋片的传热 207 16.4.2 通过等截面直肋的热传导 207 16.4.3 肋效率 210 习题 211 第17章 非稳态热传导 212 17.1 非稳态热传导概述 212 17.1.1 两类非稳态热传导 212 17.1.2 非稳态热传导的数学描述 213 17.2 零维非稳态热传导—集中参数法 215 17.2.1 集中参数法 215 17.2.2 集中参数法的判别条件 217 17.2.3 毕奥数BiV与傅里叶数FoV的物理意义 218 17.3 典型一维非稳态热传导问题 218 17.3.1 无限大平板的分析解 219 17.3.2 分析解的讨论 220 17.3.3 诺谟图 221 17.3.4 分析解应用范围的推广及讨论 223 习题 224 第18章 对流传热 225 18.1 对流传热概述 225 18.1.1 局部和平均表面传热系数 225 18.1.2 传热微分方程式 225 18.1.3 对流传热的影响因素 226 18.1.4 对流传热现象的分类 227 18.1.5 对流传热的研究方法 227 18.2 对流传热微分方程组 229 18.2.1 连续性方程 229 18.2.2 动量微分方程 229 18.2.3 能量微分方程 230 18.2.4 对流传热问题完整的数学描述 231 18.3 边界层与边界层传热微分方程组 232 18.3.1 流动边界层 232 18.3.2 热边界层 232 18.3.3 普朗特数 233 18.3.4 边界层传热微分方程组 234 18.4 对流传热的实验研究 236 18.4.1 相似原理 236 18.4.2 特征数的获取方法 237 18.4.3 特征数方程(实验关联式) 238 18.4.4 特征长度、定性温度、特征速度 240 18.5 单相对流传热的实验关联式 241 18.5.1 管内强迫对流传热的实验关联式 241 18.5.2 流体外掠平板对流传热 248 18.5.3 横掠单管对流传热 250 18.5.4 流体横掠管束的实验关联式 253 18.6 相变对流传热 256 18.6.1 凝结和沸腾传热的特点 256 18.6.2 凝结传热 256 18.6.3 沸腾传热 257 18.6.4 强化传热 257 习题 258 第19章 热辐射基础理论 260 19.1 概述 260 19.1.1 热辐射的基本概念 260 19.1.2 热辐射的基本特性 260 19.1.3 几种热辐射的理想物体 262 19.1.4 两个重要的辐射参数 263 19.2 黑体辐射基本定律 264 19.2.1 普朗克定律和维恩位移定律 264 19.2.2 斯特藩-玻耳兹曼定律 265 19.2.3 兰贝特定律 266 19.3 实际物体的辐射特性 268 19.3.1 辐射力 268 19.3.2 定向辐射强度 269 19.4 实际物体的吸收特性 270 19.4.1 吸收比 270 19.4.2 灰体 271 19.4.3 基尔霍夫定律 272 习题 274 第20章 辐射传热计算 276 20.1 角系数 276 20.1.1 角系数的定义 276 20.1.2 角系数的性质 276 20.1.3 角系数的计算方法 277 20.2 两表面封闭系统的辐射传热 281 20.2.1 两黑体表面间的辐射传热 281 20.2.2 有效辐射 281 20.2.3 表面辐射热阻与空间辐射热阻 282 20.2.4 两个灰体表面组成的封闭系统的辐射传热 283 20.3 多个灰体表面组成的封闭系统的辐射传热 285 习题 287 第21章 换热器的传热计算 289 21.1 换热器简介 289 21.1.1 换热器的定义 289 21.1.2 换热器的分类 289 21.2 换热器传热过程分析及计算 291 21.2.1 传热系数的确定 291 21.2.2 换热器中传热平均温差的计算 295 21.3 换热器强化传热技术 296 21.3.1 强化传热的目的及意义 296 21.3.2 强化传热的任务 296 21.3.3 换热器中强化传热的途径 297 习题 297 附录 299 参考文献 321