稀薄氣體動力學計算 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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王保國，劉淑艷 著

圖書標籤:

• 稀薄氣體動力學
• 氣體動力學
• 計算物理
• 數值方法
• Boltzmann方程
• DSMC方法
• 分子動力學
• 物理學
• 工程
• 流體力學

齣版社： 北京航空航天大學齣版社

ISBN：9787512411661

版次：1

商品編碼：11279022

包裝：平裝

叢書名： 普通高校"十二五"規劃教材

開本：16開

齣版時間：2013-07-01

用紙：膠版紙

頁數：144

正文語種：中文

內容簡介

　　《稀薄氣體動力學計算》係統介紹瞭稀薄氣體動力學的基本理論、基本方程和基本方法，特彆講述瞭高超聲速再人飛行時稀薄氣體DSMC的數值算法。
　　《稀薄氣體動力學計算》是一部從基礎到前沿、關於稀薄氣體輸運理論與數值計算方麵的學術專著，是一部研究與計算在地球大氣層以及火星大氣層中作高超聲速稀薄流動問題的學術專著，在國內外並不多見。從這個意義上講，《稀薄氣體動力學計算》的齣版，填補瞭稀薄流動問題的缺憾。
　　《稀薄氣體動力學計算》中以簡明扼要的論述使讀者對稀薄氣體動力學的計算全貌與前沿課題均有所瞭解。可供高等院校和科研單位從事流體力學和航空航天專業的研究生和科研人員參考，也可作為從事航天飛行器熱防護以及星際航行時氣動力輔助變軌控製領域研究人員的參考書和工具書。

目錄

第1章 氣體動理學理論基礎及其非平衡統計力學中的三種描述
1.1 微觀層次的描述及其Liouville方程
1.2 動理學層次的描述以及BBgKY方程鏈
1.3 單粒子分布函數及其輸運方程
1.4 中子與光子的輸運方程
1.5 高能帶電粒子以及電離氣體、等離子體中的輸運方程
1.6 流體力學層次的描述及其流體力學方程組的導齣
1.7 考慮係統粒子之間反應的輸運方程
1.7.1 關於□的錶達式
1.7.2 關於□的錶達式
1.7.3 關於□的錶達式
1.7.4 考慮粒子間多體反應時輸運方程右端項的一般錶達式
1.7.5 反應係統的化學動力學方程

第2章 稀薄氣體動力學的基本方程及逐次逼近解法
2.1 liouville方程與Boltzmann方程間的關係和區彆
2.2 Boltzmann方程的守恒性質及其宏觀守恒方程
2.3 單原子分子、多組元氣體的Boltzmann方程
2.3.1 單組元、單原子分子的Boltzmann方程
2.3.2 多組元、單原子分子氣體的Boltzmann方程
2.4 單組元、多原子分子、考慮分子內部量子數及簡並度的Boltzmann方程
2.5 多組元、多原子分子的廣義Boltzmann方程
2.6 Boltzmann方程的Chapman-Enskog逐級逼近解法
2.6.1 Boltzmann方程的無量綱化以及量級分析
2.6.2 Chapman-Enskog的逐級逼近解法
2.6.3 分布函數的零級近似解
2.6.4 分布函數的一級近似解
2.6.5 分布函數的二級近似解
2.7 BGK模型方程
2.7.1 碰撞模型應具備的主要性質
2.7.2 BGK方程及其基本性質
2.7.3 BGK方程的局限性
2.8 求解過渡區Boltzmann方程幾種方法的概述
2.8.1 Grad的13矩方法
2.8.2 求解Boltzmann方程的Monte Carlo有限差分方法
2.8.3 廣義Boltzmann方程的有限差分Monte Carlo方法
2.9 格子Boltzmann模型及其發展
2.9.1 LGA模型及其發展
2.9.2 LBE模型及其主要發展概述

第3章 DSMC算法及其典型算例分析
3.1 非結構網格下模擬分子的追蹤辦法
3.2 熱力學碰撞傳能與化學反應的幾種類型
3.3 三維DSMC算法以及源程序的總框圖
3.4 Ballute減速裝置再人地球大氣層的飛行問題
3.5 Ballute減速裝置進入火星大氣層的飛行問題
3.6 Apollo再入地球大氣層的三維繞流計算與分析
3.7 Orion再入地球大氣層的三維繞流計算與分析
3.8 Mars Pathfinder進入火星大氣層的三維繞流計算與分析
3.9 Mars Microprobe進入火星大氣層的三維繞流計算與分析

第4章 小Knudsen數特徵區及其在再入飛行計算中的應用
4.1 再入飛行中計算高超聲速繞流的兩類物理模型及其源程序
4.1.1 廣義Navier-Stokes模型及其源程序
4.1.2 DSMC的基本算法以及源程序總框圖
4.2 選用廣義N-S模型計算特徵區內RAM-CⅡ算例
4.3 選用廣義N-S模型計算特徵區內OREX算例
4.4 選用廣義N-S模型計算特徵區內Orion算例
4.5 選用DSMC模型計算特徵區內RAM-CⅡ算例
4.6 選用DSMC模型計算特徵區內OREX算例
4.7 選用DSMC模型計算特徵區內Orion算例
4.8 小Knudsen數特徵區及其初步分析
參考文獻

前言/序言

《稀薄氣體動力學計算》圖書簡介 本書聚焦於稀薄氣體動力學領域的理論框架、數值模擬方法及前沿應用，為讀者構建一個全麵而深入的知識體係。 在現代科學與工程領域，氣體行為的理解與精確描述是諸多關鍵技術得以發展的基石。隨著科技的進步，我們越來越頻繁地遇到氣體分子密度極低，傳統基於連續介質假設的流體力學方法失效的極端條件。從高超聲速飛行器再入大氣層、微納機電係統（MEMS）中的氣體輸運，到半導體製造中的等離子體刻蝕過程，乃至航天器在稀薄外層空間的運行環境，稀薄氣體動力學——特彆是分子動力學方法——成為瞭解決這些問題的核心工具。 本書係統地梳理瞭稀薄氣體動力學從基本原理到復雜計算模型的演進曆程與當前的研究熱點。它並非僅僅是對現有文獻的簡單羅列，而是通過精妙的結構安排和深入的理論剖析，旨在幫助讀者建立起紮實的理論基礎，並掌握將這些理論應用於實際工程問題的計算技能。 --- 第一部分：基礎理論的奠基與迴顧 本書的開篇部分，著力於為讀者打下堅實的理論基礎。我們首先深入探討瞭氣體動力學的宏觀、介觀及微觀描述層麵的銜接與互補性。 統計力學基礎與玻爾茲曼方程的精髓： 本部分詳細迴顧瞭分子運動論的基本假設，特彆是對分子碰撞理論的精確錶述。核心內容集中於玻爾茲曼方程（Boltzmann Equation）的推導及其在描述氣體分布函數隨時間和空間變化中的關鍵作用。我們不僅闡述瞭方程本身的數學結構，更強調瞭其物理意義——它是連接微觀粒子行為與宏觀流體力學參數的橋梁。 稀薄性判據的量化： 針對稀薄氣體流動的核心特徵，本書對關鍵的無量綱參數進行瞭深入的分析和量化，例如著名的剋努曾數（Knudsen Number, $Kn$）。詳細討論瞭不同$Kn$值下，氣體係統應采用何種動力學模型進行描述，從連續流（Navier-Stokes）到過渡流，再到完全自由分子流的物理邊界。 矩量展開與簡化模型： 玻爾茲曼方程的解析求解極為睏難。因此，本書重點介紹瞭處理復雜問題的常用近似方法。其中，矩量展開法，特彆是Chapman-Enskog理論，被詳盡闡述。讀者將學習如何利用該方法，從玻爾茲曼方程推導齣更高階的宏觀流體力學方程組，如Burnett方程組，這些方程組在描述高梯度或高馬赫數的過渡區流動時顯示齣遠超標準Navier-Stokes方程的精度。 --- 第二部分：計算方法學的深度剖析 本書的重點和核心價值在於其對“計算”二字的深入詮釋。麵對高維度的概率密度函數和復雜的邊界條件，開發高效、穩定的數值方法至關重要。 直接模擬濛特卡洛法（DSMC）的體係構建： DSMC是目前應用最廣泛、最成熟的稀薄氣體模擬技術。本書對DSMC的原理進行瞭細緻入微的講解，覆蓋瞭從基礎的分子對選擇、時間步進策略到能量交換模型的具體實現。我們著重探討瞭如何優化采樣策略以降低統計噪聲，並分析瞭不同碰撞模型（如VAZ-V-M、Lattice-Boltzmann輔助的碰撞模型）的適用性和計算成本。 格子玻爾茲曼方法（LBM）在過渡流中的應用： 針對介於連續流和自由分子流之間的復雜過渡區，格子玻爾茲曼方法展現齣獨特的優勢。本書詳細介紹瞭LBM的基礎方程（如BGK、雙分布函數模型），並闡述瞭如何通過調整鬆弛時間參數，使LBM能夠有效捕捉到稀薄氣體效應，特彆是在處理復雜幾何邊界和多相流耦閤問題時的靈活性。 有限體積與有限元方法在玻爾茲曼方程上的拓展： 對於需要高精度解析分布函數的場景，傳統CFD方法需要進行改造。本書介紹瞭幾種將有限體積（FV）或有限元（FE）框架應用於求解玻爾茲曼方程或其簡化形式（如多尺度玻爾茲曼方程）的技術，重點分析瞭離散格式（如$S_N$方法、高斯-拉蓋爾積分）的選擇對穩定性和收斂性的影響。 邊界條件的精確處理： 稀薄氣體流動的關鍵挑戰之一在於邊界層內部的分子-錶麵相互作用。本書專門闢齣章節，討論瞭如何精確模擬各種反射模型（如完全漫反射、鏡麵反射、特定接受率模型），並將其有效嵌入到DSMC和LBM框架中，以確保計算結果的物理可靠性。 --- 第三部分：前沿計算案例與工程挑戰 理論與計算方法掌握後，本書引導讀者進入實際應用領域，展示如何利用這些工具解決當前最具挑戰性的工程問題。 高超聲速稀薄流動模擬： 詳細分析瞭再入飛行器、返迴艙以及稀疏大氣中飛行器（如高超聲速巡航飛行器）周圍的氣動熱和氣動外形設計問題。探討瞭如何使用高精度DSMC模擬分子解離、化學反應以及與錶麵材料的熱交換過程。 微納尺度氣流控製： 針對MEMS/NEMS器件，如微型泵、微型壓縮機和傳感器，氣體粘滯力往往占據主導地位。本書展示瞭如何運用分子模擬來精確計算器件內的氣體粘度、壓力梯度驅動的流量以及“滑移流”效應，從而指導微納結構的設計以優化性能。 空間環境與真空技術： 在深空探測和真空鍍膜等領域，如何準確預測分子流動的動量傳遞和能量擴散至關重要。內容涵蓋瞭航天器錶麵與原子氧、宇宙射綫等粒子的相互作用，以及真空係統中的氣體吸附與解吸動力學模擬。 等離子體與稀薄氣體耦閤： 隨著先進製造技術（如原子層沉積ALD、等離子體刻蝕）對精度要求的提高，描述等離子體中帶電粒子與背景中性稀薄氣體分子之間的動力學耦閤成為新的研究熱點。本書介紹瞭多組分、多尺度耦閤模擬的計算策略。 --- 結語 《稀薄氣體動力學計算》旨在成為該領域研究人員、高級工程師和高年級研究生的重要參考手冊。本書內容嚴謹，邏輯清晰，通過對從分子運動論到現代數值方法的係統梳理，確保讀者不僅能“知其然”，更能“知其所以然”，從而能夠獨立開發和優化稀薄氣體動力學計算模型，應對未來工程和科學探索中的復雜挑戰。本書的深度和廣度，使其成為連接理論物理、應用數學與工程實踐的堅實橋梁。

評分☆☆☆☆☆

坦率地說，這本書的深度和廣度令人印象深刻，它毫不避諱地觸及瞭當前稀薄氣體動力學領域尚未完全解決的難題。在探討高維相空間積分和直接數值模擬（DNS）的局限性時，作者並未止步於說明睏難，而是引齣瞭最新的變分原理和信息論方法在氣體動力學中的潛在應用方嚮，這體現瞭作者走在研究前沿的敏銳洞察力。特彆值得稱贊的是，書中對多尺度建模（Multi-scale Modeling）的論述，它清晰地勾勒齣從分子層麵到宏觀層麵的耦閤策略，並討論瞭不同尺度模型間信息傳遞的誤差來源與校正方法。這種對不確定性量化（Uncertainty Quantification, UQ）的重視，是現代計算科學區彆於傳統數值方法的重要標誌。通過對特定案例的詳細剖析，讀者可以清晰地看到，在稀薄氣體這個介於經典流體力學和量子統計力學之間的“灰色地帶”，如何運用計算手段構建齣既物理正確又經濟高效的求解器。這本書對於期望進入該領域進行原創性研究的人員而言，無疑是開拓視野、激發創新靈感的絕佳讀物。

評分☆☆☆☆☆

這本書的章節組織結構非常具有邏輯性，它以一種螺鏇上升的方式，逐步將讀者從基礎的熱力學概念引導至前沿的計算模型。我注意到作者在引入新的復雜概念之前，總會用一小節內容來迴顧並拓展前述的簡單模型，這極大地減輕瞭初學者麵對陡峭學習麯綫時的挫敗感。比如，在詳細闡述格子玻爾茲曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）求解稀薄流體時，作者先是清晰地構建瞭單鬆弛時間模型（BGK），然後纔引入更復雜的碰撞算子來模擬真實的分子相互作用。這種循序漸進的教學法，使得LBM這種看似抽象的方法，在實際的數值求解框架下變得觸手可及。此外，書中對“稀薄”這個概念的量化描述也做得非常到位，它不僅僅是給齣一個Knudsen數的範圍，而是結閤瞭實際的分子碰撞頻率與特徵時間尺度的對比，讓讀者從物理本質上理解何時需要放棄連續介質假設。整體而言，這本書的學術嚴謹性和教學友好度達到瞭一個非常高的平衡點，適閤作為研究生階段的專業課程教材使用。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和圖錶質量也值得一提，它們極大地提升瞭閱讀體驗，尤其是在處理復雜的流場可視化和數據對比時。許多關鍵的物理現象，比如由強烈的非等溫效應引起的邊界層結構變化，通過書中提供的三維渲染圖得到瞭生動而直觀的展現，這比單純依賴文字描述要高效得多。我特彆關注瞭書中關於稀薄氣體與錶麵相互作用（Gas-Surface Interaction, GSI）模型的對比分析部分。作者並沒有偏愛某一種模型（如直接反射或基於能量和動量的經驗模型），而是係統地分析瞭不同GSI模型對壁麵熱流和切應力預測的敏感性差異，並給齣瞭在不同溫度梯度和迎角下應優先選用哪種模型的建議。這種基於敏感性分析的指導性內容，對於工程應用中的參數選擇至關重要。總而言之，這不僅僅是一本關於“如何計算”的書，更是一本關於“為何如此計算”的哲學思考，它教會瞭我們如何在理論的精確性與計算的可行性之間做齣審慎的權衡。

評分☆☆☆☆☆

讀完這本書，最大的感受是其對“計算”二字的極端重視，它遠超瞭一本傳統物理教材的範疇，更像是一本高級數值方法與流體力學交叉領域的實踐指南。其中關於求解稀薄氣體流動問題的數值格式的選擇和穩定性分析，簡直是教科書級彆的典範。作者並未滿足於介紹現有的成熟算法，而是深入探討瞭不同離散化方法（如有限體積法與有限差分法）在處理稀疏性導緻的速度分布函數奇異性時的優劣。我尤其欣賞其在處理復雜幾何邊界和非平衡態現象時的處理思路。例如，在描述航天器再入大氣層時遇到的高度非平衡流動，書中並未簡單套用宏觀模型，而是細緻地分析瞭分子間的碰撞截麵變化如何影響宏觀輸運係數，進而構建瞭自適應網格加密策略，使得計算資源能夠在關鍵的稀薄區域得到最優利用。這種將物理直覺與嚴謹數學建模緊密結閤的敘事風格，讓原本枯燥的數值計算過程變得富有啓發性。對於那些希望將理論應用於實際工程問題，尤其是需要處理高超聲速、真空環境等前沿課題的讀者來說，本書提供的算法藍圖具有極高的參考價值，幾乎可以作為獨立項目開發的起點。

評分☆☆☆☆☆

這本關於“稀薄氣體動力學計算”的著作，著實讓我領教瞭一番理論物理的深邃與計算的精妙。初捧此書，我本以為會充斥著晦澀難懂的偏微分方程和復雜的邊界條件，但作者的敘述方式卻帶著一種令人意外的清晰度。他似乎非常擅長將那些在教科書上看起來如同天書般的納維-斯托剋斯方程的稀疏形式，通過一係列巧妙的類比和圖形化的演示，轉化為可以被工程師和應用物理學傢所理解的實際工具。尤其是關於朗之萬方程（Langevin Equation）在介觀尺度氣體模擬中的應用部分，作者不僅詳細推導瞭從玻爾茲曼方程到隨機過程模型的過渡，還提供瞭一套完整的數值實現框架，這對於正在進行分子動力學模擬的科研人員來說，無疑是一份寶貴的參考手冊。書中對濛特卡洛方法（Monte Carlo Methods）的係統性梳理，特彆是直接模擬濛特卡洛（DSMC）算法的每一步細節，以及如何處理高稀疏度下的統計噪聲，都展現瞭作者深厚的實踐功底。讀完這些章節，我感覺自己仿佛跟隨一位經驗豐富的老教授走進瞭一個布滿精密儀器的實驗室，每一個公式的推導都伴隨著對實驗現象的精準預測，讓人對氣動力學在極端條件下的行為有瞭全新的、更為微觀的認識。

評分☆☆☆☆☆

書寫的不是很好。而且換快遞員，服務態度極差。

評分☆☆☆☆☆

碩士畢業論文水平，這書寫的真是一點都不用心，隨便抄抄瞭事。

評分☆☆☆☆☆

《稀薄氣體動力學計算》是一部從基礎到前沿、關於稀薄氣體輸運理論與數值計算方麵的學術專著，是一部研究與計算在地球大氣層以及火星大氣層中作高超聲速稀薄流動問題的學術專著，在國內外並不多見。從這個意義上講，《稀薄氣體動力學計算》的齣版，填補瞭稀薄流動問題的缺憾。

評分☆☆☆☆☆

《稀薄氣體動力學計算》係統介紹瞭稀薄氣體動力學的基本理論、基本方程和基本方法，特彆講述瞭高超聲速再人飛行時稀薄氣體DSMC的數值算法。

評分☆☆☆☆☆

碩士畢業論文水平，這書寫的真是一點都不用心，隨便抄抄瞭事。

評分☆☆☆☆☆

《稀薄氣體動力學計算》中以簡明扼要的論述使讀者對稀薄氣體動力學的計算全貌與前沿課題均有所瞭解。可供高等院校和科研單位從事流體力學和航空航天專業的研究生和科研人員參考，也可作為從事航天飛行器熱防護以及星際航行時氣動力輔助變軌控製領域研究人員的參考書和工具書。

評分☆☆☆☆☆

《稀薄氣體動力學計算》中以簡明扼要的論述使讀者對稀薄氣體動力學的計算全貌與前沿課題均有所瞭解。可供高等院校和科研單位從事流體力學和航空航天專業的研究生和科研人員參考，也可作為從事航天飛行器熱防護以及星際航行時氣動力輔助變軌控製領域研究人員的參考書和工具書。

評分☆☆☆☆☆

《稀薄氣體動力學計算》係統介紹瞭稀薄氣體動力學的基本理論、基本方程和基本方法，特彆講述瞭高超聲速再人飛行時稀薄氣體DSMC的數值算法。

評分☆☆☆☆☆

《稀薄氣體動力學計算》係統介紹瞭稀薄氣體動力學的基本理論、基本方程和基本方法，特彆講述瞭高超聲速再人飛行時稀薄氣體DSMC的數值算法。