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出版者:Dover Publications Inc.

作者:Rosner, Daniel E.

出品人:

页数:587

译者:

出版时间:2003-3-28

价格:$ 28.19

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isbn号码:9780486411828

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深入理解流体力学与化学反应的交互作用：一本专注于复杂系统建模的教材 书名：流体动力学与化学反应耦合系统：理论、数值方法与应用 内容简介 本书旨在为高年级本科生、研究生以及在化学工程、流体力学、应用数学和化学等领域工作的研究人员，提供一个全面而深入的框架，用以理解和分析涉及流体运动和化学反应耦合的复杂系统。该领域的研究对于能源转换、污染物控制、材料合成以及生物医学工程等诸多现代科学与工程挑战至关重要。 核心主题与结构 本书的结构设计旨在平衡严格的理论基础与实际问题的解决能力。全书分为六个主要部分，逐步引导读者从基础概念过渡到前沿的研究方法。 第一部分：基础理论回顾与耦合问题的提出 (Foundational Theory and Problem Formulation) 本部分首先对连续介质力学和化学动力学进行必要的复习。重点在于回顾纳维尔-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）的推导、边界条件的处理，以及常微分方程组在描述非平衡态化学反应时的应用。随后，本书将系统性地阐述如何将动量守恒、质量守恒（包含组分输运）和能量守恒方程在描述同一物理域内进行耦合。特别强调了体积平均法（Volume Averaging Method）和宏观尺度模型（Continuum Model）的适用性边界，为后续的数值模拟打下理论基础。本部分还会详细讨论扩散与反应速率之间的竞争关系，特别是在高反应活性的体系中，如何识别并量化“反应受扩散限制”（reaction-diffusion limited）的现象。 第二部分：输运过程的微观与宏观描述 (Microscopic and Macroscopic Descriptions of Transport) 本部分深入探讨了动量、能量和物质在流动介质中的输运机制。 动量输运与流动结构： 除了标准的可压缩和不可压缩流动的描述外，本书重点讨论了复杂几何结构（如多孔介质、裂缝网络）中的有效介质理论（Effective Medium Theory）及其在非均匀流场中的应用。对湍流模型的选择（RANS, LES）在化学反应系统中的适用性进行了批判性分析，指出如何避免湍流涡旋过度混合导致反应动力学失真。 能量与组分输运： 详细分析了热扩散（热泳效应）和组分扩散（扩散与迁移）在化学梯度驱动下的相互影响。针对多相系统，引入了相间传质的菲克定律（Fick's Law）和牛顿冷却定律的推广形式，讨论了界面现象对整体反应速率的决定性作用。 第三部分：化学反应动力学的集成 (Integration of Chemical Reaction Kinetics) 此部分将焦点从物理输运转移到化学过程的精确描述。本书避开了仅关注简单零级或一级反应的局限性，转而深入研究： 复杂反应网络的建模： 如何使用反应机制简化方法（如稳态假设、活性率控制物种识别）来处理具有数十甚至数百步反应的系统。 反应速率的温度和压力依赖性： 详细讨论了阿累尼乌斯方程（Arrhenius Equation）的局限性，并引入了过渡态理论（Transition State Theory）在精确计算高温或高压下反应速率常数方面的应用。 反应与流场的反馈： 探讨了体积热源（热化学反应）对流场速度场的影响（例如，自然对流或热浮力），以及由此引起的化学反应速率的非线性变化。 第四部分：数值方法与计算策略 (Numerical Methods and Computational Strategies) 由于大多数耦合问题无法通过解析方法求解，本部分提供了求解这些偏微分方程组的强大计算工具。 有限体积法（FVM）的构建： 详细阐述了如何针对非线性、强耦合的输运方程构建高阶精度、守恒性的有限体积格式。特别关注处理对流项（如迎风格式的改进）和化学源项（如使用半隐式或完全隐式方法保证时间步的稳定性）。 多尺度建模的挑战： 讨论了如何有效地在同一计算框架内处理微观尺度（如催化剂孔隙内扩散）与宏观尺度（反应器内流动）的差异，包括使用嵌入式边界法（Immersed Boundary Method）或网格自适应（Adaptive Mesh Refinement, AMR）技术。 并行计算与求解器选择： 介绍了针对大规模反应流问题的并行计算策略（如域分解），并比较了基于迭代求解器（如GMRES, Krylov subspace methods）和直接求解器在收敛性和效率上的权衡。 第五部分：特定工程应用案例研究 (Case Studies in Specific Engineering Applications) 本部分将理论和方法应用于实际的工程挑战，展示耦合模型的强大预测能力。 催化反应器设计： 重点分析了固定床反应器和流化床反应器中的热点（Hot Spot）形成机理，以及如何通过优化流体动力学设计来抑制失控反应或提高催化剂利用率。 燃烧与污染控制： 探讨了火焰传播、熄火极限的预测，以及如何模拟稀薄燃烧条件下氮氧化物（NOx）和未燃碳氢化合物的生成与消除过程，强调了化学机理的准确性对预测结果的重要性。 电化学与燃料电池： 研究了离子输运、电子导电性与电化学反应速率在多孔电极结构中的耦合，分析了浓差极化和欧姆极化对系统性能的限制。 第六部分：前沿方向与未来展望 (Frontier Directions and Future Outlook) 本书最后展望了该领域正在发展的研究热点，包括： 数据驱动的建模： 如何结合机器学习（Machine Learning）技术，从实验数据中提取或修正反应动力学参数，以提高复杂系统的预测精度。 随机性与不确定性量化 (Uncertainty Quantification, UQ)： 针对反应参数和几何形状中的不确定性，如何利用蒙特卡洛模拟或概率加权方法来评估模型预测结果的可靠性区间。 新型反应介质的建模： 简要介绍了对微流控设备中高雷诺数或高马赫数流动中化学反应耦合的最新研究进展。 本书内容严谨，数学推导详尽，并辅以丰富的工程实例，旨在培养读者对这些高度非线性、多尺度物理化学耦合问题的深刻洞察力和解决问题的能力。

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作为一名资深的化学工程师，我在工业界的实践经验让我深知理论与实践之间的鸿沟。尤其是在处理那些复杂、非线性的化学反应流动系统时，往往会遇到许多理论模型难以完全解释的现象。因此，我一直渴望找到一本能够弥合这一鸿沟的书籍。《Transport Processes in Chemically Reacting Flow Systems》正是这样一本让我眼前一亮的著作。这本书的魅力在于，它并非高高在上地呈现纯粹的理论，而是紧密围绕实际的工程问题展开。例如，书中对固定床反应器、流化床反应器以及多相催化剂设计等工业界普遍关注的课题，进行了深入的剖析。在讨论固定床反应器时，作者不仅阐述了传质、传热和反应速率的耦合作用，还详细分析了床层堵塞、催化剂中毒等实际工程中常见的问题，并提出了相应的解决方案。这让我联想到了我曾经参与过的一个项目，当时我们就遇到了类似的挑战，如果当时能有这本书的指导，或许能少走许多弯路。书中对模型精度的讨论也十分到位，它清楚地指出，在不同的工程应用场景下，对模型精度的要求也不同，有时简化的模型就足以指导设计，而有时则需要精密的数值模拟。作者还强调了实验验证在模型开发和应用中的重要性，这一点对于我这样在工业界工作的人来说，深有体会。这本书的语言风格也十分亲切，虽然内容专业，但并不枯燥乏味，作者善于运用类比和实例来解释复杂的概念，使得读者能够更容易地理解和吸收。总之，《Transport Processes in Chemically Reacting Flow Systems》这本书不仅为我提供了丰富的理论知识，更重要的是，它帮助我以一种全新的视角来审视和解决工业生产中遇到的化学反应流动问题，让我受益匪浅。

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我是一名博士生，正致力于研究新型多相催化反应器内的传质传热耦合问题，尤其是涉及复杂多组分反应的情况下。在文献调研的过程中，《Transport Processes in Chemically Reacting Flow Systems》这本书频繁地出现在我的视野中，并且备受同行推崇。于是，我毫不犹豫地购入并开始研读。这本书的强大之处在于其对学科前沿问题的洞察力，以及将这些前沿问题与扎实的基础理论相结合的能力。书中对于激波管、射流、湍流燃烧等高速、高能反应流动的讨论，虽然并非我的直接研究领域，但其背后所蕴含的跨尺度分析方法和多物理场耦合的建模策略，给我带来了极大的启发。作者在探讨复杂流场稳定性时，引入了许多非线性动力学和混沌理论的工具，这在我以往的知识体系中是比较欠缺的，但书中对这些概念的讲解却非常清晰易懂，并能巧妙地与化学反应过程联系起来。例如，在分析火焰传播的稳定性时，书中深入探讨了热力学不稳定性、化学动力学不稳定性以及它们之间的相互作用，这对于理解火焰熄灭和爆炸极限等现象至关重要。此外，书中关于微反应器和微流控芯片中化学反应过程的章节，也为我提供了新的思路。在这些尺度下，表面效应和传质传热过程变得尤为重要，作者通过详细的分析，揭示了表面化学动力学、扩散边界层以及毛细管力等因素如何影响反应速率和产物分布。书中对这些复杂相互作用的数学建模和数值模拟的探讨，对我设计和优化实验装置，以及解释实验结果，都提供了极大的帮助。我深信，这本书中的许多思想和方法，将贯穿我博士期间的整个研究生涯，并有望为我最终的论文研究提供重要的理论支撑和创新方向。

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我是一名初入化学工程领域的学生，对于“化学反应流动系统”这个概念感到既好奇又有些畏惧。我知道这是一个非常庞大和复杂的领域，涉及多方面的知识。当我拿到《Transport Processes in Chemically Reacting Flow Systems》这本书时，我被它清晰的结构和循序渐进的讲解方式所吸引。这本书就像一位经验丰富的向导，带领我一步步地探索这个充满挑战但又极其迷人的领域。在开始阶段，作者非常耐心地解释了质量守恒、能量守恒和动量守恒定律在反应流动系统中的具体应用，并通过简单的例子，让我理解了对流、扩散和反应速率这三个基本过程是如何相互作用的。我尤其喜欢书中关于“边界层理论”的讲解，这让我对流体在固体表面的行为有了更直观的认识，也为我理解催化反应器内的传质过程奠定了基础。随着章节的深入，我开始接触到更复杂的概念，比如湍流模型、化学动力学方程以及它们之间的耦合。尽管这些内容对我来说有些难度，但作者始终保持着清晰的逻辑，并通过图示和表格的形式，将抽象的概念具象化。我特别欣赏书中对“反应器设计”的章节，它从理论出发，逐步过渡到实际设计中的考虑因素，比如反应器类型选择、操作参数优化以及安全问题等。这让我初步了解了如何将所学的理论知识应用于实际工程设计中。虽然我还有很多知识需要学习，但这本书无疑为我打开了一扇通往这个领域的大门，让我充满了学习的动力和信心。我期待着在未来的学习中，能够更深入地理解这本书的内容，并将其应用于解决实际问题。

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我是一名在能源化工领域工作的工程师，我们公司目前正在大力开发利用生物质进行催化裂解制备清洁能源的技术。在这个过程中，反应器的设计和优化是关键环节，而生物质催化裂解本身就是一个典型的“化学反应流动系统”，涉及复杂的传质、传热以及多相催化反应。因此，我一直在寻找一本能够帮助我深入理解这些过程的书籍。《Transport Processes in Chemically Reacting Flow Systems》这本书，正是我所急需的。书中对于“多相催化”的章节，分析得尤为透彻。它不仅讨论了催化剂的微观结构、表面性质如何影响反应活性，还深入研究了催化剂床层内的扩散阻力、传热效应以及催化剂失活机理。这对于我们选择和设计合适的催化剂，以及预测催化剂的使用寿命，至关重要。书中对“颗粒流体耦合”的讨论，也为我提供了重要的参考。在生物质裂解过程中，会产生大量的固体颗粒，这些颗粒的流动行为会显著影响反应器的传质传热效率，甚至导致堵塞等问题。作者通过详细的理论分析和数值模拟，揭示了颗粒 size 分布、形状以及流体力学参数如何影响颗粒的输运和停留时间，从而影响整体反应过程。我尤其欣赏书中对“过程集成”和“能量回收”的讨论。在能源化工领域，如何最大限度地提高能源利用效率、减少排放是我们的核心目标。书中提出的将传质传热与化学反应相结合进行系统优化的思想，对于我们在设计一体化裂解发电装置时，提供了宝贵的借鉴。总之，这本书为我提供了解决实际工程问题所需的理论工具和技术思路，是我工作中的一本重要参考书。

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作为一名从事高分子材料合成的科研人员，我们经常需要精确控制聚合反应的速率、分子量分布以及共聚单体的配比，以获得性能优异的高分子材料。这对于“化学反应流动系统”的理解和设计提出了极高的要求。《Transport Processes in Chemically Reacting Flow Systems》这本书，为我提供了解决这些问题的理论框架和技术工具。书中关于“聚合反应器设计”的章节，对我来说尤为重要。它不仅详细介绍了自由基聚合、离子聚合、缩聚等不同类型聚合反应的动力学特点，还深入探讨了管式反应器、釜式反应器以及连续流反应器等在聚合反应中的应用，以及如何根据聚合反应的特点来选择和优化反应器结构。我特别欣赏书中对“停留时间分布”（RTD）在聚合反应中的重要性的强调。在聚合过程中，不同单体分子在反应器内的停留时间不同，会导致分子量分布的展宽，影响聚合物的性能。作者通过详细的数学模型和实验数据，展示了如何通过调整反应器结构和操作参数来控制RTD，从而获得窄分子量分布的聚合物。书中对“传质传热耦合”在聚合反应中的作用分析也十分到位。许多聚合反应是放热反应，如果不及时将反应热移走，容易导致反应温度升高，引发副反应，甚至反应失控。作者通过案例分析，展示了如何通过优化反应器的传热设计，有效地控制反应温度，保证聚合反应的稳定进行。此外，书中对“活性聚合”和“可控聚合”的介绍，也为我提供了新的研究方向。这些先进的聚合技术能够实现对分子量、分子量分布以及聚合物结构的精确控制，是获得高性能高分子材料的关键。总之，这本书为我提供了全面而深入的视角，帮助我更好地理解和设计高分子合成过程中的化学反应流动系统，提高研发效率和产品质量。

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我是一名在航空航天领域工作的工程师，我们负责开发高效、可靠的火箭发动机燃烧室。火箭发动机的燃烧过程就是一个典型的“化学反应流动系统”，涉及高速、高温、高压下的化学反应以及复杂的流体动力学耦合。《Transport Processes in Chemically Reacting Flow Systems》这本书，为我提供了解决这些问题的理论基础和工程指导。书中关于“燃烧过程建模”的章节，给我留下了深刻的印象。它不仅详细介绍了化学反应动力学、湍流模型以及传热传质模型在燃烧模拟中的应用，还深入探讨了如何建立能够准确预测燃烧速率、火焰传播速度以及温度场分布的数学模型。我尤其关注书中对“湍流-化学反应相互作用”的讨论。在火箭发动机的燃烧室中，流体处于高度湍流状态，湍流的脉动会显著影响化学反应的速率和产物分布。作者通过详细的计算流体力学（CFD）模拟和实验数据分析，揭示了湍流混合和化学反应之间的相互作用，并提出了相应的建模策略，这对于准确预测燃烧性能至关重要。书中对“激波与燃烧的耦合”的分析也十分重要。在超音速燃烧器等应用中，激波的存在会对燃烧过程产生显著影响，可能导致燃烧不稳定甚至熄火。作者通过分析激波诱导的化学反应和流体动力学效应，为我们理解和控制燃烧稳定性提供了理论依据。此外，书中还介绍了“推进剂设计”和“燃烧器优化”的相关内容，这为我们在选择和设计合适的推进剂，以及优化燃烧器结构以提高推力和效率提供了宝贵的参考。总而言之，这本书为我提供了全面而深入的视角，帮助我更好地理解和设计航空航天领域的化学反应流动系统，为开发更高效、更可靠的发动机提供了重要的理论支持和技术保障。

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这本书的封面设计就透着一股严谨而深邃的气息，沉稳的配色和清晰的字体，仿佛在无声地诉说着其内在内容的厚重与专业。作为一名在化工领域摸爬滚打了数年的研究人员，我一直在寻找一本能够系统性梳理和深化我对“化学反应流动系统”理解的书籍。市面上同类书籍不少，但很多都侧重于某一特定方面，要么过于理论化，要么过于工程化，很难找到一本能够将化学反应动力学、流体力学以及两者耦合作用进行全面而深入探讨的著作。当我第一次翻开《Transport Processes in Chemically Reacting Flow Systems》时，我就预感到了它与众不同。它不仅仅是一本技术手册，更像是一次对复杂科学现象的系统性探索。书中对基本原理的阐述，从概念的引入到数学模型的建立，都显得循序渐进，逻辑严密。例如，在关于对流-扩散-反应耦合方程的推导过程中，作者并没有简单地罗列公式，而是花了很多篇幅去解释每一个项的物理意义，以及它们在不同流动和反应条件下的相对重要性。这种细致入微的讲解，对于我这样需要不断巩固基础的读者来说，无疑是宝贵的。而且，书中还穿插了大量实际工程案例的分析，从催化反应器到燃烧过程，从生物化工到环境工程，这些案例的引入，让原本抽象的理论变得鲜活起来，也帮助我更好地将书本知识与实际应用联系起来。我尤其喜欢书中对数值模拟方法的介绍，这部分内容对于当今的工程研究至关重要，作者不仅介绍了常用的数值方法，还讨论了它们在不同问题中的适用性和局限性，这让我对如何选择合适的模拟工具有了更清晰的认识。总的来说，这本书为我打开了一个新的视野，让我对化学反应流动系统有了更深刻、更全面的理解，也为我未来的研究工作提供了坚实的理论基础和丰富的实践指导。

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我是一名环境工程领域的学生，我的研究方向是如何利用化学反应来治理工业废水。在处理含有复杂有机污染物和重金属离子的废水时，常常需要设计特殊的反应器来优化反应条件，提高污染物去除效率。《Transport Processes in Chemically Reacting Flow Systems》这本书，为我提供了宝贵的理论基础和实践指导。书中关于“多相反应器”的章节，对我的研究非常有帮助。例如，在处理含有悬浮颗粒污染物的废水时，我们需要设计能够有效接触污染物和催化剂的反应器，如搅拌槽反应器或流化床反应器。作者详细分析了这些反应器中的传质阻力、混合效率以及颗粒的停留时间分布，这些都是影响反应效率的关键因素。我尤其喜欢书中关于“反应动力学建模”的讨论。在废水处理过程中，污染物通常会经历一系列复杂的化学反应，如氧化、还原、络合、沉淀等。作者展示了如何建立这些反应的动力学模型，并利用模型来预测反应速率、优化反应条件，以及评估不同催化剂的性能。这对于我们开发高效的废水处理工艺至关重要。书中还介绍了“膜反应器”的概念，这是一种将分离过程和反应过程耦合在一起的新型反应器。在某些废水处理应用中，膜反应器能够同时去除污染物并回收有用的物质，这大大提高了处理效率和经济性。作者对膜反应器的工作原理、传质机制以及其在化学反应中的应用前景进行了深入的探讨，这为我的研究开辟了新的思路。总而言之，这本书不仅帮助我深入理解了化学反应流动系统的基本原理，更重要的是，它为我解决环境污染问题提供了创新性的技术方案和研究方法，是一本不可多得的参考书。

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作为一名化学制药行业的研发人员，我们面临的挑战是如何在有限的反应器体积内，实现高效、高选择性的药物合成，同时确保产品质量的稳定性和安全性。这对于“化学反应流动系统”的理解提出了很高的要求。《Transport Processes in Chemically Reacting Flow Systems》这本书，恰好能够满足我们在这一领域的知识需求。书中关于“精细化工反应器设计”的章节，给我留下了深刻的印象。它不仅仅停留在理论层面，而是深入探讨了管式反应器、釜式反应器以及微反应器等不同类型反应器在药物合成中的适用性，以及如何根据反应的特点（如放热量、反应级数、停留时间分布等）来选择和优化反应器结构。我尤其关注书中对“动力学控制”和“传质控制”相互作用的分析。在药物合成中，很多反应都需要精确控制反应条件，以避免副反应的发生，提高目标产物的收率和选择性。作者通过详细的计算和案例分析，展示了如何通过调整流速、温度、浓度等参数，将反应过程从传质控制区推向动力学控制区，从而实现高效合成。书中对“反应器安全性”的讨论也十分重要。药物合成过程中，往往会涉及到易燃、易爆或有毒的物质，反应失控可能导致严重的事故。作者从反应热力学、动力学以及流体力学特性的角度，详细分析了导致反应失控的潜在因素，并提出了相应的预防和控制措施，这对于我们确保生产安全至关重要。总之，这本书为我们提供了一个全面而深入的视角，帮助我们更好地理解和设计药物合成过程中的化学反应流动系统，提高研发效率和产品质量。

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我是一位退休多年的资深教授，曾经长期从事化学反应工程方面的教学和研究工作。虽然我已经离开一线多年，但我始终对化学反应流动系统这一领域的发展保持着高度的关注。在我看来，《Transport Processes in Chemically Reacting Flow Systems》这本书的出现，无疑是这个领域的一大盛事。它不仅系统地梳理了该领域的经典理论，更重要的是，它融入了许多近年来在学术界和工业界取得的最新研究成果。书中对“非平衡态统计力学”在复杂反应体系中的应用，以及“多尺度建模”在处理宏观流动与微观反应耦合问题上的进展，都让我耳目一新。作者在讨论高度复杂的化学反应网络时，采用了“图论”和“网络分析”的方法，这是一种非常新颖且强大的工具，能够帮助我们理解反应网络中关键路径和瓶颈，从而优化反应条件。此外，书中对“计算流体力学”（CFD）在化学反应流动模拟中的应用，也进行了非常详尽的阐述，包括不同数值方法的优劣，以及如何处理化学反应的离散化问题。这部分内容对于当前进行高精度模拟的年轻研究者来说，具有极其重要的指导意义。书中还涉及了一些交叉学科的内容，例如将“机器学习”和“人工智能”技术应用于反应机理的识别和参数优化，这预示着未来该领域的研究方向。总而言之，这本书的深度和广度都令人惊叹，它不仅能够满足高年级本科生和研究生学习的需求，对于我们这些老一辈的学者，也能提供宝贵的知识更新和思想启发。这是一本值得反复研读、并在研究过程中随时翻阅的经典著作。

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