中国科学技术大学精品教材：计算热物理引论 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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吴清松 著

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• 计算热物理
• 热物理
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• 工程热物理
• 热工

出版社： 中国科学技术大学出版社

ISBN：9787312025174

版次：1

商品编码：10339573

包装：平装

开本：16开

出版时间：2009-09-01

用纸：胶版纸

页数：356

正文语种：中文

内容简介

求解热物理问题的三种数值方法一有限容积法、有限差分法和有限元法，其中着重于介绍热物理中用得最多的有限容积法。全书共10章：第1章，绪论，介绍学科背景；第2～3章，为有限容积法和有限差分法的基础部分，重点讲述离散方法及其离散格式的定性性质；第4～7章，侧重于有限容积法，讲述数值方法在热物理问题中的应用；第8～9章，为提高部分，介绍代数解法和网格生成技术；第10章，讲述有限元法基础及其在热物理中的应用。全书内容取材广泛，层次分明，概念清晰，论述严谨，理实并重，适用性强。
《计算热物理引论》可以作为理工院校热能与动力工程专业高年级本科生和研究生教材，也可供相近专业师生以及工程技术人员和科研人员参考。

目录

总序
前言
第1章 绪论
1.1 热物理问题数值研究的起源和发展
1.2 热物理问题数值研究与理论、实验研究之问的关系
1.3 计算热物理研究的基本任务
1.4 本书内容梗概
参考文献

第2章 热物理问题的数学描述与偏微分方程的分类
2.1 热物理过程的控制方程
2.1.1 连续方程
2.1.2 动量方程
2.1.3 能量方程
2.1.4 化学组分方程
2.1.5 控制方程的通用形式
2.2 偏微分方程的物理分类和数学分类
2.2.1 偏微分方程的物理分类
2.2.2 偏微分方程的数学分类
2.2.3 解的适定和定解条件
参考文献

第3章 离散方法基础
3.1 解域离散
3.1.1 解域离散概念
3.1.2 网格节点设置方式和标识
3.1.3 网格生成过程需注意的问题
3.2 微分方程的有限差分法离散
3.2.1 有限差分方法
3.2.2 差分算子和微分算子
3.2.3 基于Taylor展开的有限差分离散
3.2.4 其他构成导数有限差分离散的方法
3.3 微分方程的有限容积法离散
3.3.1 控制容积积分法离散
3.3.2 控制容积平衡法离散
3.3.3 控制容积法离散方程需满足的四条基本规则
3.4 有限差分法离散和有限容积法离散比较
3.5 离散格式的定性分析
3.5.1 误差与精度
3.5.2 离散格式的相容性
3.5.3 离散格式的收敛性和稳定性
3.5.4 初值问题离散格式稳定性分析方法
3.5.5 离散格式的耗散性和色散性
3.5.6 离散格式的守恒性
3.5.7 离散格式的迁移姓
参考文献

第4章 扩散方程的数值方法
4.1 一维导热
4.1.1 一维导热问题通用形式的控制方程
4.1.2 控制容积积分法离散
4.1.3 控制容积界面当量导热系数的确定方法
4.1.4 源项的线化处理
4.1.5 边界条件的引入
4.1.6 离散方程的非线性性质和处理
4.1.7 线化代数方程组的三对角阵算法
4.2 多维导热
4.2.1 非稳态二维导热方程的全隐式离散
4.2.2 非稳态三维导热方程的全隐式离散
4.2.3 边界条件的处理
4.2.4 线化代数方程组的迭代解法
4.3 管道内充分发展的对流换热
4.3.1 充分发展的管流对流换热的物理意义
4.3.2 圆管内充分发展的对流换热
参考文献

第5章 对流扩散方程的数值方法
5.1 合理选择对流项离散格式的重要性
5.2 一维稳态对流扩散问题
5.2.1 模型方程的精确解
5.2.2 中心差分格式
5.2.3 一阶迎风格式
5.2.4 指数格式
5.2.5 混合格式
5.2.6 乘方律格式
5.2.7 五种三点式离散格式系数的统一表达形式
5.2.8 五种三点式离散格式计算结果比较
5.3 多维非稳态对流扩散问题
5.3.1 二维非稳态对流扩散方程的离散
5.3.2 三维非稳态对流扩散方程的离散
5.3.3 多维对流扩散问题的边界条件处理
5.4 对流扩散方程离散格式的虚假扩散问题
5.4.1 人工黏性引起的流向扩散
5.4.2 网格取向效应引起的交叉扩散
5.4.3 非常数源项引起的虚假扩散
5.5 对流项离散的高阶迎风型格式
5.5.1 二阶迎风型格式
5.5.2 三阶迎风型格式
5.5.3 QUICK格式
5.5.4 对流项采用高阶格式时引出的新问题
5.6 对流扩散方程对流项离散格式的稳定性
参考文献

第6章 回流问题流动一传热耦合计算的数值方法
6.1 不可压缩流体流动一传热耦合问题数值计算概述
6.2 原始变量法顺序求解流场所遇困难及其解决途径
6.2.1 简化条件下原始变量法求解流场的控制方程
6.2.2 常规网格下离散压力导数项可能导出不合理的解
6.2.3 压力计算没有独立的方程需另辟途径解决
6.3 交错网格下的动量方程离散
6.3.1 交错网格及其变量布置
6.3.2 交错网格下的动量方程离散
6.3.3 交错网格下控制容积界面上物理量的插值
6.4 原始变量顺序求解流场的压力修正方法
6.4.1 压力修正方法的基本思想
6.4.2 速度修正值的简化近似计算
6.4.3 将连续方程离散式转化为压力修正值方程
6.4.4 压力修正值方程的边界条件
6.5 SIMPLE算法
6.5.1 SIMPLE含义及算法实施步骤
6.5.2 SIMPLE算法若干问题讨论
6.6 SIMPLE算法的改进和发展
6.6.1 SIMPLER算法
6.6.2 SIMPLEC算法
6.6.3 SIMPLEX算法
6.6.4 预估校正的SIMPLE算法——Date修正方案
6.7 同位网格上的SIMPLE算法
6.7.1 基本思想和流动控制方程离散
6.7.2 同位网格上的压力修正方程
6.7.3 同位网格上的SIMPLE算法的计算步骤
6.7.4 同位网格上的SIMPLE算法的讨论
6.8 非原始变量顺序求解的涡一流函数法
6.8.1 二维方腔内自然对流的控制方程
6.8.2 涡一流函数形式控制方程的离散化
6.8.3 涡一流函数法中的定解条件处理
6.8.4 涡一流函数法离散方程迭代求解步骤
6.8.5 涡一流函数法讨论
参考文献

第7章 湍流流动-传热耦合计算的数值方法
7.1 湍流的复杂性和数值方法概述
……
第8章 离散化代数方程组的求解
第9章 网格生成
第10章 热物理中的有限元法基础
习题

精彩书摘

从前几节所述可知，计算热物理是一门交叉性的前沿学科，它所涉及的研究内容相当丰富。
拟作为一门专业基础课教材，为未曾接触过数值计算的高年级大学本科生和硕士研究生，有选择地介绍几种离散数值方法的基础理论和在热科学中的应用。通过学习，使读者理解数值计算的基本原理，掌握数值计算的一些主要方法，能够理论联系实际，初步具有对热物理问题进行数值计算的能力，为进一步用数值方法从事热科学研究奠定基础。按照这一设想，全书内容包含以下10章：
第1章，绪论，介绍学科背景。
第2章，首先概述热物理问题的控制方程，作为我们开展数值研究的数学模型；进而介绍一般偏微分方程的物理分类和数学分类，阐述不同类型的数学物理方程具有不同的数学物理特征，对数值求解有不同的要求。这既是为分清我们随后要讨论的热物理问题控制方程类型做准备，也是为读者今后自己有能力发展新的数学模型打基础。
第3章，选择有限差分和有限容积两种方法，讲述离散方法基础。介绍构造解域离散、微分方程离散的方法。在此基础上，对离散格式的有效性进行分析，阐述离散方程一系列数值特性的基本概念和分析方法，重点讨论格式的误差与精度、相容性、稳定性、守恒性、扩散性（耗散性）及传输性。
第2～3章，是本书的基础。应该说，掌握了几种基本的离散方法，能把连续的微分方程变为离散的代数方程，通过分析，离散格式又能使这些代数方程满足格式的有效性要求，加上读者也掌握了一些代数方程的基本求解技巧，就可以对一个有确定数学模型的问题数值求解了。但这还远远不够。以下4～7章，作为基础理论的应用，主要采用热物理问题数值求解中用得最多的有限容积法对扩散问题、对流扩散问题、湍流问题等的数值计算进行讨论。作为基础理论的补充和提高部分，8～9章介绍了代数解法和网格生成技术。由于有限元方法在热物理数值计算中的应用日渐广泛，第10章简要介绍了有限元方法。

前言/序言

　　2008年是中国科学技术大学建校五十周年。为了反映五十年来办学理念和特色，集中展示教材建设的成果，学校决定组织编写出版代表中国科学技术大学教学水平的精品教材系列。在各方的共同努力下，共组织选题281种，经过多轮、严格的评审，最后确定50种入选精品教材系列。
　　1958年学校成立之时，教员大部分都来自中国科学院的各个研究所。作为各个研究所的科研人员，他们到学校后保持了教学的同时又作研究的传统。同时，根据“全院办校，所系结合”的原则，科学院各个研究所在科研第一线工作的杰出科学家也参与学校的教学，为本科生授课，将最新的科研成果融入到教学中。五十年来，外界环境和内在条件都发生了很大变化，但学校以教学为主、教学与科研相结合的方针没有变。正因为坚持了科学与技术相结合、理论与实践相结合、教学与科研相结合的方针，并形成了优良的传统，才培养出了一批又一批高质量的人才。
　　学校非常重视基础课和专业基础课教学的传统，也是她特别成功的原因之一。当今社会，科技发展突飞猛进、科技成果日新月异，没有扎实的基础知识，很难在科学技术研究中作出重大贡献。建校之初，华罗庚、吴有训、严济慈等老一辈科学家、教育家就身体力行，亲自为本科生讲授基础课。他们以渊博的学识、精湛的讲课艺术、高尚的师德，带出一批又一批杰出的年轻教员，培养了一届又一届优秀学生。这次入选校庆精品教材的绝大部分是本科生基础课或专业基础课的教材，其作者大多直接或间接受到过这些老一辈科学家、教育家的教诲和影响，因此在教材中也贯穿着这些先辈的教育教学理念与科学探索精神。

好的，这是一份关于《计算热物理引论》这本书的简介，内容将集中于计算热物理这一领域本身，而不涉及该特定教材的具体章节或内容： 计算热物理引论：跨越理论与实践的桥梁 计算热物理是现代工程科学和应用物理领域中一个至关重要的交叉学科。它专注于利用数值方法、算法和强大的计算资源来模拟和分析涉及热量、质量和动量传递的复杂物理过程。在当今高度依赖于精确预测和优化设计的时代，理解和掌握计算热物理的基本原理及其应用，已成为从事航空航天、能源、环境工程、微电子乃至生物医学等领域研究与开发人员的必备技能。 本领域的核心目标是将描述热力学、传热学和流体力学现象的偏微分方程组（如纳维-斯托克斯方程、能量方程和组分输运方程）转化为计算机可解的代数方程组，并通过数值迭代求解，最终获得系统在特定条件下的时空分布信息。计算热物理的研究范畴极其广泛，从宏观尺度的燃烧室流动模拟，到微米乃至纳米尺度的热界面管理，无不依赖于其强大的预测能力。 数值方法基础与演进 计算热物理的基石在于其所依赖的各类数值离散技术。对这些基础理论的深入理解，是构建可靠求解器的前提。 1. 离散化方法的选择与对比： 求解控制方程需要将连续的物理域剖分成有限的单元或节点，这一过程称为离散化。常见的离散方法各有侧重： 有限差分法（FDM）： 历史悠久，概念直观，主要应用于结构化网格，通过泰勒级数展开来近似导数。它在处理简单几何体和高阶精度方面具有优势，但在复杂边界的处理上较为棘手。 有限体积法（FVM）： 在工程计算中应用最为广泛，尤其是在计算流体力学（CFD）领域。FVM 的核心优势在于其内在的守恒性——无论网格划分如何，质量、动量和能量等物理量在控制体积上的积分形式能够被精确保持，这对于模拟湍流和多相流至关重要。 有限元法（FEM）： 在结构力学领域占据主导地位，但在传热传质问题中，特别是在处理非线性、非均匀介质和复杂几何边界时，也显示出强大的适应性和高精度潜力。FEM 基于变分原理或加权残量法，能够更灵活地处理边界条件和材料属性的变化。 2. 网格生成与适应性： 模拟的准确性与计算效率在很大程度上取决于计算域的网格划分质量。从结构化网格（规则、易于实施高阶格式）到非结构化网格（适应复杂几何形状），再到更先进的混合网格和网格自适应加密技术（Adaptive Mesh Refinement, AMR），都是为了在关键物理区域（如激波、边界层、相界面）集中计算资源，以节省计算成本同时保证精度。 湍流建模的挑战 在绝大多数工程实际应用中，流体流动是湍流的。湍流现象具有极宽的时间和空间尺度范围，其精确模拟是计算热物理领域最核心的挑战之一： 雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型： 这是目前工业界最常用的方法。它通过对瞬时方程进行时间平均，引入了雷诺应力项，必须依赖于湍流模型（如 $k-epsilon$ 模型、$k-omega$ 模型及其剪切力线修正模型）来封闭方程组。选择和校准合适的湍流模型是 RANS 模拟成功的关键。 大涡模拟（LES）： LES 通过直接数值求解大尺度、高能量的涡旋运动，而对小尺度涡流则使用亚网格尺度（Subgrid-Scale, SGS）模型进行近似。LES 提供了比 RANS 更详细的瞬态信息，适用于研究非定常流动现象。 直接数值模拟（DNS）： DNS 旨在直接求解完整的、未平均的 Navier-Stokes 方程。虽然能提供最精确的结果，但对计算资源的要求极高，目前仅限于低雷诺数的简单流动研究。 传热传质的复杂耦合 计算热物理不仅关注流场本身，更重要的是将能量和物质的输运机制纳入考虑： 1. 辐射传热的数值处理： 在高温环境（如燃烧、宇航器再入）中，辐射传热往往是主要的能量交换方式。计算辐射涉及求解复杂的积分方程（辐射传输方程）。常用的求解策略包括离散坐标法（DOM）、$P_N$ 近似法以及蒙特卡洛法，它们需要考虑气体吸收/发射、颗粒散射等复杂的光学性质。 2. 相变与多相流： 涉及沸腾、冷凝、蒸发等相变现象的模拟，要求求解器能够准确捕捉和追踪相界面。相场法（Phase-Field Method）、水平集方法（Level Set Method）和体积平均法（Volume of Fluid, VOF）是处理界面动力学的主要工具。在模拟气液或固液分散流时，还需要引入特殊的界面传递模型来描述质量、动量和能量在界面上的交换。 3. 反应流与燃烧模拟： 在涉及化学反应的系统中，如内燃机或燃气轮机，热物理计算必须耦合复杂的化学动力学。这通常涉及求解大量的组分输运方程。反应流模型通常采用有限速率化学模型，结合火焰面模型（如 FGM）来简化计算量，同时保证对燃烧过程的精确描述。 求解器的构建与验证 一个完整的计算热物理分析流程，始于求解器的设计和构建： 1. 线性代数方程组的求解： 离散化后的系统最终形成一个巨大的稀疏线性代数方程组。如何高效地求解这些方程是关键。迭代求解器（如 Krylov 子空间方法：GMRES, BiCGStab）结合预处理技术（如代数多重网格 AMG）是大型问题的主流选择。 2. 压力-速度耦合： 在不可压缩或低速可压缩流动中，压力和速度之间存在隐式耦合关系，需要专门的算法来解耦。SIMPLE 及其变种（SIMPLEC, PISO）是处理这一问题的经典算法，它们通过引入校正步骤来保证质量守恒。 3. 求解器的验证与确认（Verification and Validation, V&V）： 任何计算结果的可靠性都依赖于严格的 V&V 过程。验证关注数值误差（例如，通过收敛阶数分析来确认离散格式的阶数是否正确），而确认则涉及将计算结果与实验数据或解析解进行对比，以评估模型对真实物理现象的预测能力。 应用前景 计算热物理已成为推动技术进步的驱动力。在新能源技术中，它被用于优化燃料电池的电解质和气流分布，模拟下一代核反应堆的热水力学行为。在先进制造领域，它用于预测增材制造（3D 打印）过程中材料的熔池动力学、残余应力和热畸变。在环境保护方面，它帮助评估污染物在大气和水体中的扩散机制。掌握这一领域的知识，意味着能够驾驭从基础研究到尖端工程应用的全光谱问题解决能力。

评分☆☆☆☆☆

我拿到这本书的时候，首先就被它“精品教材”的定位所吸引。这意味着它很可能不是市面上那些泛泛而谈的科普读物，也不是某些过于理论化、脱离实际的学术专著，而是一本经过精心打磨、内容严谨、教学效果显著的教材。我期待它能以一种循序渐进的方式，将计算热物理的核心概念一一呈现。想象一下，从最基本的传热方程开始，逐步深入到更复杂的耦合问题，比如流热耦合、相变过程等等，并且在每一步都辅以清晰的数学推导和算法原理的介绍。更重要的是，我希望这本书能够提供一些实用的计算代码示例，或者至少是伪代码，让读者能够将理论付诸实践，真正地动手去计算和模拟。毕竟，计算热物理的魅力就在于它能够将抽象的物理规律转化为具体的数字结果。我希望这本书能引导我理解各种数值方法的优缺点，以及在不同问题场景下如何选择合适的计算策略。如果它还能涉及一些常用的数值模拟软件（如ANSYS Fluent, COMSOL等）的操作要点，那就更完美了，这无疑会大大缩短我从理论学习到实际应用的时间，为我后续的科研或工程实践铺平道路。

评分☆☆☆☆☆

看到“中国科学技术大学精品教材”这几个字，我立刻就对这本书产生了浓厚的兴趣。作为国内顶尖的理工科院校，科大出品的教材往往质量上乘，内容扎实，能够引领学科前沿。这本书的名字《计算热物理引论》则直接点出了核心内容，让我对它能够系统地介绍计算热物理的理论框架和方法论充满了期待。我猜想，这本书会循序渐进地引导读者掌握如何利用数值计算的方法来分析和解决热物理问题。从最基础的传热方程的数值求解，到更复杂的流体动力学和多物理场耦合问题的模拟，这本书能否提供清晰的思路和有效的工具？我特别关注它是否能深入讲解各种数值离散格式的原理、优缺点以及适用范围，比如有限差分法、有限体积法等。同时，我希望它能够通过详实的例证，展示如何将这些数值方法应用于实际的热物理问题，例如热电偶的瞬态响应分析，或者复杂结构件的散热性能评估。如果书中还能提及一些前沿的研究方向，例如基于机器学习的热物理预测，那就更具启发性了。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字就透着一股严谨和扎实，让我对它充满了期待。我特别好奇它如何将“计算”和“热物理”这两个看似有些距离的领域巧妙地结合起来，并且将其升华为“引论”的高度，我想这一定是一次深入浅出的知识探索之旅。要知道，热物理本身就是一个博大精深的学科，涉及到能量的传递、物质的状态变化、流体动力学等等，而计算科学的引入，无疑为我们提供了一个强大的工具来模拟、分析和预测这些复杂的物理过程。我脑海里已经勾勒出一些画面：也许书中会详细讲解如何利用数值方法解决纳维-斯托克斯方程，如何通过有限元或有限差分法来模拟热传导和对流，甚至可能涉及到一些更前沿的计算技术，比如机器学习在热物理预测中的应用。作为一名希望在科学领域有所建树的学生，我渴望的不仅仅是理论知识的灌输，更是能够掌握解决实际问题的能力。这本书能否真正做到这一点，能否为我打下坚实的基础，让我能够自信地面对未来在工程、材料、能源等领域可能遇到的挑战，这是我最关注的。如果它能提供清晰的理论框架、详尽的算法讲解，以及贴近实际的案例分析，那将是无价之宝。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字“中国科学技术大学精品教材”给了我一种强烈的信任感。科大在基础科学和工程技术领域一直享有盛誉，其教材往往代表了国内该领域的顶尖水平。我猜想这本《计算热物理引论》一定集结了该校在这一领域最优秀的教师的智慧结晶。我特别希望它能够深入浅出地讲解计算热物理的理论基础，比如如何将偏微分方程离散化，如何选择合适的数值格式（如全显式、全隐式、Crank-Nicolson等），以及如何处理边界条件和初始条件。我脑海中设想着，书中可能会详细介绍一些经典的数值算法，比如有限差分法、有限体积法、有限元法在热物理问题中的应用，并且会提供相应的算例分析，展示如何运用这些方法来求解各种热传导、对流、辐射问题。如果它还能提及一些更高级的主题，比如湍流模型、多相流模拟、相变传热等，并且给出清晰的指导，那这本书的价值将是无可估量的。我期待它能成为我学习计算热物理的“第一本书”，帮助我建立起扎实的理论根基和初步的计算能力，为我后续更深入的学习和研究打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对科学探索充满好奇的读者，我对《中国科学技术大学精品教材：计算热物理引论》这个书名本身就充满了探索欲。我好奇的是，这本书如何能够将“计算”这一现代科学的利器，与“热物理”这一古老而又至关重要的学科有机地融合在一起，并且以“引论”的形式呈现给读者。我设想，它或许会从基本的热力学定律和传热机理出发，逐步引入数值计算的方法。比如，可能会讲解如何使用数值方法来求解各种形式的传热方程，包括稳态和瞬态问题，以及如何处理不同边界条件下的热传递。我特别期待书中能够涵盖一些经典的数值算法，并且提供详细的推导过程，让读者能够理解其背后的原理。同时，我也希望书中能够包含一些实际的算例，通过这些算例来展示计算热物理在解决实际工程问题中的应用，例如在航空航天、能源、材料科学等领域的应用。如果书中能提供一些代码实现或者对常用模拟软件的介绍，那就更好了，这将大大提升学习的实践性。

评分☆☆☆☆☆

不错，适合研究生学习！！！

评分☆☆☆☆☆

看看吴教授的大作，有好处

评分☆☆☆☆☆

计算热物理从浅入深，很好的教材，科大精品教材，推荐！

评分☆☆☆☆☆

计算热物理从浅入深，很好的教材，科大精品教材，推荐！

评分☆☆☆☆☆

嗯嗯，可以看一看需要的话

评分☆☆☆☆☆

计算热物理的经典教材

评分☆☆☆☆☆

书中内容近似数值传热学、计算流体力学。

评分☆☆☆☆☆

很专业的书 很喜欢 呵呵

评分☆☆☆☆☆

嗯嗯，可以看一看需要的话