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出版者:Amer Society of Mechanical

作者:Ga.) American Society of Mechanical Engineers. Winter Meeting (1991

出品人:

頁數:0

译者:

出版時間:1989-06

價格:USD 32.00

裝幀:Paperback

isbn號碼:9780791803905

叢書系列:

圖書標籤:

• Heat Transfer
• Combustion
• Fluid Mechanics
• Thermodynamics
• Energy Engineering
• Chemical Engineering
• Fire Safety
• Computational Fluid Dynamics
• Thermal Engineering
• Reacting Flows

傳熱學在燃燒係統中的應用：深入探討與前沿進展 本書旨在提供一個全麵且深入的視角，聚焦於傳熱學原理在復雜燃燒係統中的實際應用與前沿研究。本書的重點在於解析燃燒過程中涉及的各種傳熱機製——包括熱傳導、熱對流（自然對流與強製對流）以及熱輻射——在確定係統性能、效率和汙染物排放等關鍵參數中的核心作用。 第一部分：燃燒係統中的傳熱基礎與熱力學框架 第一章：燃燒過程的熱力學基礎與能量平衡 本章首先迴顧瞭燃燒反應的熱力學原理，包括化學平衡、反應焓變（$Delta H$）和吉布斯自由能。隨後，詳細分析瞭在不同邊界條件（定壓、定容）下燃燒係統的能量守恒方程（第一定律）。重點討論瞭燃燒室、燃燒器以及排氣係統中的熱負荷計算方法，並引入瞭絕熱火焰溫度（Adiabatic Flame Temperature）的概念及其對燃燒效率和 $ ext{NO}_x$ 生成的直接影響。此外，本章還將介紹先進的反應焓數據庫和軟件工具在建立準確熱力學模型中的應用。 第二章：傳熱基本定律在燃燒環境中的修正與應用 本章深入探討瞭經典傳熱定律（傅裏葉定律、牛頓冷卻定律、斯忒藩-玻爾茲曼定律）在高溫、高湍流、多相流動的燃燒環境下的適用性與局限性。 熱傳導（Conduction）：分析瞭燃燒器壁麵、催化劑載體材料等固體結構中的瞬態與穩態熱傳導問題。特彆關注瞭材料熱物性參數（導熱係數、比熱容）隨溫度變化的非綫性效應。 熱對流（Convection）：詳細解析瞭火焰區、邊界層和冷卻通道內的對流換熱。著重闡述瞭湍流模型（如 $k-epsilon$ 模型和 $k-omega$ 模型）在預測燃燒器內流場速度剖麵和相應對流換熱係數中的作用。討論瞭基於無量綱數（如雷諾數、普朗特數）的換熱係數關聯式在非均勻加熱條件下的修正。 熱輻射（Radiation）：燃燒輻射是火焰中主要的傳熱方式。本章係統介紹瞭火焰輻射的機理，包括黑體輻射、灰體輻射以及特定氣體（如 $ ext{CO}_2$, $ ext{H}_2 ext{O}$）的吸收與發射光譜特性。引入瞭輻射傳輸方程（Radiative Transfer Equation, RTE）的求解方法，如離散坐標法（DOM）和有限體積法，用於精確計算火焰體與周圍結構之間的淨輻射熱流。 第二部分：燃燒係統中的傳熱機製與模型 第三章：火焰與壁麵間的換熱分析 本章聚焦於火焰與限製其邊界的固體結構之間的復雜耦閤傳熱問題。 火焰溫度輪廓的確定：討論瞭如何結閤化學動力學與流體力學（CFD）來模擬火焰的形狀和溫度分布，並將其作為輻射和對流熱負荷的輸入。 熱邊界條件的設定：分析瞭不同的壁麵條件（例如，絕熱壁麵、恒溫壁麵、冷卻壁麵）對火焰穩定性和汙染物生成的影響。 強化換熱技術：介紹瞭用於提高熱交換效率的技術，如使用具有高導熱係數的材料、引入鰭片結構（Fins）以及利用火焰鏇流器（Swirlers）來增強混閤與對流換熱。 第四章：燃燒室的傳熱管理與結構熱設計 本章側重於工業和航空燃氣輪機燃燒室的實際工程挑戰。 冷卻技術：詳細介紹瞭用於保護燃燒室高溫部件（如內襯、過渡段）的先進冷卻技術，包括： 衝擊冷卻（Impingement Cooling）：基於高速射流衝擊壁麵産生的強對流換熱。 薄膜冷卻（Film Cooling）：通過在壁麵注入低溫二次空氣形成保護氣膜，減小火焰與壁麵接觸的熱流密度。詳細分析瞭氣膜的混閤、稀釋與熱隔離效率。 氣膜-對流復閤冷卻：在實際應用中，兩種機製的協同作用是設計復雜熱防護係統的關鍵。 熱應力分析與壽命預測：討論瞭由於溫度梯度引起的燃燒器部件的熱應力分析方法（有限元法FEM），以及如何基於熱疲勞循環來評估部件的服役壽命。 第五章：多相燃燒與傳熱 本章針對煤粉燃燒、液滴霧化燃燒以及涉及固體燃料的氣化過程中的傳熱問題。 顆粒物與氣體的相互作用：分析瞭固體顆粒在氣流中的運動軌跡、吸熱/放熱過程以及顆粒物輻射對整體火焰輻射的貢獻。重點討論瞭顆粒物燃燒中熱量從火焰主體嚮顆粒內部擴散的機製。 霧化液滴的傳熱：研究瞭液滴蒸發過程中的內部傳熱，包括液滴內部的溫度梯度和錶麵質量損失率（蒸發速率）的確定，這直接影響瞭燃燒效率和火焰長度。 第三部分：燃燒係統中的傳熱測量與數值模擬 第六章：燃燒係統傳熱的實驗測量技術 精確的傳熱數據是模型驗證的基礎。本章係統介紹瞭在高溫、強化學反應環境下進行傳熱參數測量的先進技術。 溫度測量：包括熱電偶的校準與誤差分析、紅外熱像儀（IR Thermography）在壁麵溫度場成像中的應用，以及激光誘導熒光（LIF）等非接觸式技術在測量火焰溫度輪廓中的潛力。 熱流密度測量：詳細介紹瞭使用熱流傳感器（Heat Flux Gauges）直接測量壁麵淨熱流密度的方法，包括水冷式和輻射冷卻式傳感器的工作原理和安裝考量。 流場與湍流特性測量：簡要迴顧瞭粒子圖像測速（PIV）和激光多普勒測速（LDV）在解析燃燒室內速度場和湍流結構中的應用，這些數據是驗證對流換熱計算的必要輸入。 第七章：計算流體力學（CFD）在傳熱分析中的高級應用 本章聚焦於利用計算工具對復雜燃燒傳熱現象進行高保真模擬。 耦閤模型：重點闡述瞭流體動力學（Fluid Dynamics）、化學動力學（Chemical Kinetics）和傳熱學（Heat Transfer）的強耦閤求解策略。討論瞭求解器選擇、網格生成技術（尤其是對復雜幾何和高梯度區域的處理）。 湍流與燃燒模型：評估瞭各種火焰模型（如 Eddy Dissipation Concept, EDC；有限速率化學模型）在預測燃燒效率和熱釋放率方麵的準確性。 輻射模型的高級求解：深入探討瞭如何整閤復雜輻射模型（如 P-N 近似或全波段（Spectral-based）模型）到 CFD 框架中，以準確模擬火焰與周圍環境之間的能量交換。 第四部分：新興燃燒技術中的傳熱挑戰 第八章：先進燃燒技術中的熱管理 本章探討瞭在低排放和高效率目標下，新型燃燒係統所麵臨的獨特傳熱挑戰。 貧氧燃燒（Lean Premixed Combustion）與 $ ext{NO}_x$ 控製：貧氧燃燒區溫度較低，但火焰區域非常狹窄，對壁麵溫度控製要求極高，以防止局部過熱導緻 $ ext{NO}_x$ 峰值。討論瞭薄壁結構在傳熱性能與結構完整性之間的權衡。 鏇轉和微型燃燒器：分析瞭在強離心力場下（如鏇轉燃燒器）的流場和傳熱機製的改變，以及在微通道（Micro-combustors）中，由於尺寸效應導緻的極高熱流密度與極短停留時間下的傳熱特性。 燃燒與熱化學循環的集成：討論瞭在太陽能熱化學循環（Solar Thermochemical Cycles）或熱電聯産（CHP）係統中，如何通過優化傳熱界麵來實現能量的高效捕獲和轉化。 全書通過大量的工程實例、案例分析和先進的數值方法介紹，旨在使讀者不僅掌握傳熱學的基本原理，更能理解並解決現代高效率、低汙染燃燒係統中至關重要的傳熱工程難題。本書的深度和廣度使其成為從事燃燒設備設計、優化和研究領域工程師和研究人員的寶貴參考資料。

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說實話，我原本以為這會是一本晦澀難懂的純理論著作，畢竟涉及“燃燒係統”和“熱傳遞”這兩個硬核領域，但閱讀體驗遠超我的預期。這本書的敘事風格非常流暢，作者似乎非常清楚初學者和有經驗的研究人員在不同階段會遇到的認知障礙。比如，在介紹湍流燃燒中的對流換熱增強機製時，書中沒有直接拋齣復雜的雷諾平均納維-斯托剋斯（RANS）方程組，而是先用生動的比喻和簡化的流體力學模型，解釋瞭渦流如何加速熱量從高溫區域嚮低溫區域擴散的過程。這種“先建立直覺，再引入精確模型”的教學方法極大地降低瞭學習麯綫的陡峭程度。此外，書中對數值模擬方法的介紹部分也頗具洞察力，它沒有僅僅停留在介紹有限體積法的步驟上，而是批判性地分析瞭不同離散格式在捕捉火焰麵和衝擊波時的固有缺陷，這對於希望將理論知識應用於 CFD 軟件實踐的工程師來說，無疑是至關重要的“避坑指南”。我甚至發現書中的一些圖錶和案例數據，似乎是直接來源於最新的工業實驗報告，這種緊跟前沿的嚴謹性令人信服。

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這本書的學術深度是毋庸置疑的，但其最吸引我的地方在於它對“耦閤效應”的係統性闡述。在很多單一學科的教材中，熱傳遞往往被孤立地研究，仿佛燃燒是一個瞬間完成的過程，而熱交換是隨後發生的事情。然而，本書的主旨恰恰在於打破這種壁壘，展示瞭傳熱、化學反應動力學以及流體運動之間復雜且相互依賴的關係。例如，書中對“火焰傳播速度與熱量反饋”的探討，清晰地揭示瞭熱量嚮未燃混閤氣體的有效傳遞是如何決定火焰穩定性的，這不僅僅是熱量學問題，更是燃燒化學的延伸。作者巧妙地運用瞭漸進式逼近的方法，從零維的絕熱火焰溫度模型開始，逐步引入對流和輻射項，最終過渡到涉及復雜非平衡態的二維模型。這種層層遞進的邏輯結構，使得讀者能夠真正掌握為什麼在某些工況下，僅僅優化燃燒器的幾何形狀（影響流場）或燃料配比（影響化學反應）是不夠的，必須同時考慮它們對熱量邊界條件的反作用。

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這本書的裝幀設計著實令人眼前一亮，硬殼的質感配閤燙金的書名，散發齣一種低調而專業的學術氣息。然而，一旦翻開內頁，我立刻感受到瞭作者在內容組織上的深思熟慮。它並非那種堆砌公式和圖錶的教科書，而是更像一位經驗豐富的導師，循序漸進地引導讀者進入復雜的熱物理世界。開篇對於傳熱基本原理的梳理，詳略得當，既沒有過度簡化以至於失去深度，也沒有陷入冗長繁瑣的數學推導泥潭。特彆是關於邊界條件處理的章節，作者引入瞭大量的工程實例，將抽象的理論與實際的燃燒器設計緊密結閤起來。我印象最深的是其中對“火焰結構與輻射換熱”部分的處理，作者沒有僅僅停留在黑體輻射定律的層麵，而是深入探討瞭燃燒産物（如 $ ext{CO}_2$ 和 $ ext{H}_2 ext{O}$ 蒸汽）的非均勻性對總輻射換熱效率的影響，這對於進行高效能燃燒係統優化的人來說，簡直是金玉良言。這本書的價值在於它構建瞭一個從微觀分子運動到宏觀係統設計的完整知識框架，讓學習者能夠真正理解“熱”如何在燃燒的熔爐中流動、轉化和被利用。

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作為一個在工業鍋爐設計領域摸爬滾打瞭十多年的老兵，我閱讀這本書的側重點在於其對實際工程問題的指導性。很多教材在處理“熱負荷分配”和“材料選擇”時都顯得過於理論化，但這本書在這方麵展現瞭驚人的實用價值。它詳細剖析瞭不同燃料（如天然氣、煤粉和生物質）在燃燒過程中産生的獨特熱力學特性，並據此推導齣瞭針對性的換熱麵設計原則。尤其讓我眼前一亮的是關於“局部過熱”和“煙氣腐蝕”的關聯性分析。作者通過對爐膛內溫度場分布的詳細剖析，清晰地指齣瞭哪些幾何結構最容易成為熱點區域，並提供瞭基於流固耦閤分析的優化建議，比如如何調整吹風口的位置和角度以均勻化爐壁溫度。這本書的附錄部分也極其慷慨，包含瞭大量常用的物性數據錶和簡化計算模型，這在項目緊迫時，簡直就是“救命稻草”，大大減少瞭我們重復查找標準手冊的時間。對於關注長期運行可靠性的專業人士而言，本書提供的不僅僅是計算工具，更是一種深層次的風險預判視角。

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我必須承認，這本書的閱讀門檻確實不低，它要求的讀者必須對基礎的熱力學和流體力學有一定的紮實基礎。然而，一旦你跨過瞭最初的幾章，你就會發現自己仿佛進入瞭一個結構精密的知識迷宮，每深入一層，都能發現新的視角和更精妙的設計。這本書在處理輻射換熱的計算效率問題上，采取瞭一種非常實用的立場。它不僅介紹瞭經典的 P-N 近似法，還花瞭不少篇幅比較瞭濛特卡洛（Monte Carlo）方法和離散坐標法（DOM）在處理復雜幾何體和非均勻介質時的優劣。對於那些正在開發下一代高效燃燒技術（比如超音速燃燒或微重力燃燒）的研究人員來說，書中關於輻射與擴散邊界層相互作用的討論，提供瞭寶貴的理論指導。這本書的價值在於，它不是簡單地告訴你“怎麼算”，而是深入探討瞭“為什麼用這個方法算，以及用其他方法算會有什麼後果”。它成功地架設瞭一座橋梁，連接瞭純粹的物理理論和高度工程化的實際應用。

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