多维气体动力学基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:北京航空航天大学出版社

作者:单鹏

出品人:

页数:150 页

译者:

出版时间:2004年8月1日

价格:15.0

装帧:平装

isbn号码:9787810775199

丛书系列:

图书标签:

• 气体动力学
• 多维流动
• 计算流体力学
• 数值方法
• 物理学
• 工程
• 空气动力学
• 传热
• 燃烧
• 稀疏气体动力学

《多维气体动力学基础》 一、 引言：探索流体运动的奥秘 流体力学，作为一门研究物质在流态下运动规律的科学，始终吸引着人类对未知世界的探索热情。从浩瀚宇宙中的星系演化，到微观层面的人体血液循环，再到日常生活中随处可见的空气流动，流体无处不在，其运动规律的掌握对于理解和改造自然至关重要。气体动力学，作为流体力学的一个重要分支，则专注于研究气体的运动特性。相较于液体的不可压缩性，气体具有高度的可压缩性，其运动过程往往伴随着密度的剧烈变化，这使得气体动力学成为一个充满挑战且富含深意的领域。 而当我们将研究的视角从一维空间拓展到多维空间时，气体的运动行为将呈现出更加复杂和丰富的现象。在多维气体动力学中，我们不仅要考虑流体沿某一个方向的速度、压力、密度等参数的变化，还需要同时分析其在不同方向上的相互作用以及它们如何随时间和空间的变化而演化。这涉及到更为复杂的偏微分方程组，以及需要借助强大的数值模拟工具来求解。 《多维气体动力学基础》一书，正是为了系统地梳理和深入探讨多维气体动力学的基本原理、核心概念、关键模型以及典型应用而诞生的。本书旨在为读者提供一个扎实而全面的理论框架，帮助他们理解和掌握气体在二维、三维乃至更高维度空间中的复杂运动行为。本书的编写，力求在理论的严谨性与方法的实用性之间取得平衡，既能满足科研人员对精确理论的需求，也能为工程师、技术人员和学生提供解决实际问题的思路和工具。 二、 核心概念与理论基石 理解多维气体动力学，离不开对其核心概念的深刻把握。本书将首先建立起一套完整的理论基石，为后续内容的展开奠定坚实的基础。 1. 连续介质假设与宏观描述： 尽管气体是由大量分子组成的微观集合体，但在宏观层面，我们可以将其视为连续介质。本书将详细阐述连续介质假设的适用范围和意义，以及如何通过密度、速度、压力、温度等宏观物理量来描述气体的整体运动状态。我们将深入探讨这些宏观量的定义、物理意义及其相互之间的关联。 2. 守恒定律：质量守恒、动量守恒与能量守恒： 这是气体动力学最 fundamental 的方程组，也是描述气体运动过程的基本定律。 质量守恒（连续性方程）： 阐述了在没有任何源项或汇项的情况下，气体质量在任意体积内保持不变的原则。我们将推导并分析其在不同坐标系下的形式，重点讲解多维空间中质量的对流和扩散过程。 动量守恒（Navier-Stokes方程）： 这是描述气体运动速度场变化的核心方程。我们将从牛顿第二定律出发，推导出考虑粘性和外力的Navier-Stokes方程，并着重分析其在多维空间中的张量形式，揭示了压力梯度、粘性剪切力和外力如何共同驱动气体的运动。 能量守恒： 描述了气体内部能量（内能、动能）以及与外界能量交换（热传导、功）的关系。我们将探讨不同形式的能量守恒方程，包括考虑气体可压缩性和粘性耗散的完整能量方程，并分析热力学过程在气体运动中的作用。 3. 热力学基本关系： 气体运动与热力学过程密切相关。本书将回顾并深入讲解理想气体状态方程，以及更普适的实际气体状态方程。我们将详细阐述比热容、绝热指数、熵等热力学参数在气体动力学计算中的重要性，并推导它们与压力、密度、温度之间的关联。此外，我们还将讨论可逆过程、不可逆过程以及气体绝热过程、等温过程等，理解它们对气体运动形态的影响。 4. 物质输运过程：粘性与热传导： 气体分子间的相互作用导致了粘性（动量输运）和热传导（能量输运）。本书将详细阐述牛顿粘性定律和傅里叶热传导定律，并将其引入Navier-Stokes方程和能量守恒方程中。我们将深入分析粘性系数和热导率等参数的物理意义，以及它们如何影响流动的平滑性、边界层的形成以及能量耗散。 三、 多维流动特性的深入探讨 在掌握了基本理论之后，本书将聚焦于多维空间中气体动力学所呈现出的特有现象和分析方法。 1. 流动分类与相似准数： 层流与湍流： 区分两种截然不同的流动形态，分析它们产生的条件、运动特征以及各自的数学描述方法。我们将介绍雷诺数（Reynolds number）等无量纲参数，它们是判断流动状态的关键。 可压流与不可压流： 重点分析马赫数（Mach number）在判断流动可压缩性中的作用，以及不同马赫数下气体动力学方程的简化和求解策略。我们将探讨亚声速、跨声速、超声速和高超声速流动的独特性质。 其他重要准数： 如普朗特数（Prandtl number）、斯图尔特数（Strouhal number）等，介绍它们在描述热量输运、周期性流动等现象中的意义。 2. 激波与膨胀波： 这是可压流中最显著的多维现象之一。 激波的形成与结构： 详细分析超声速气流遇到障碍物时激波的产生机制，以及激波面的物理特性（如压力、密度、温度的突变）。我们将介绍斜激波、弓形激波、附体激波等不同类型的激波。 膨胀波的形成与结构： 解释气流在气动喉道或自由膨胀时的膨胀波现象，以及其与激波的相对关系。 激波与膨胀波在复杂流场中的相互作用： 分析激波反射、衍射、激波-边界层相互作用等复杂现象，以及它们对流场结构和性能的影响。 3. 边界层理论： 粘性效应在靠近固体表面的薄层区域（边界层）尤为显著。 边界层的形成与发展： 介绍普朗特边界层方程，分析粘性力如何在边界层内占据主导地位，以及速度亏缺等概念。 边界层的分离与再附： 阐述流动分离发生的条件，以及它对升力、阻力等空气动力学性能的影响。 湍流边界层： 探讨湍流边界层与层流边界层的区别，以及其在实际工程问题中的重要性。 4. 数值方法在多维气体动力学中的应用： 鉴于多维气体动力学方程组的复杂性，解析解往往难以获得，数值方法成为解决实际问题的关键。 有限差分法、有限体积法、有限元法： 介绍这些主流数值离散方法的基本原理、优缺点，以及它们在处理气体动力学方程组时的应用。 数值算法与求解器： 探讨时间推进格式、空间离散格式、压力-速度耦合算法等关键技术，以及用于求解Navier-Stokes方程的常用数值软件。 网格生成与适应性网格： 强调高质量网格对于数值计算精度的重要性，以及自适应网格等技术。 湍流模型： 介绍雷诺平均Navier-Stokes（RANS）模型、大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）等不同层级的湍流模型，以及它们在不同应用场景下的适用性。 四、 典型应用与前沿展望 本书的理论和方法最终将应用于解决实际工程和科学问题。 1. 航空航天工程： 飞行器气动设计： 分析飞机、火箭、导弹等飞行器在不同速度下的气动性能，包括升力、阻力、力矩的计算与优化。 发动机内部流动： 研究燃气轮机、喷气发动机等内部复杂流动，包括燃烧过程与流动的耦合。 航天器再入大气层： 模拟和分析高超声速再入过程中强烈的热化学效应和流动耦合。 2. 环境保护与气象科学： 大气环流模拟： 预测天气变化、研究气候模型，涉及大尺度的大气流动。 污染物扩散模拟： 研究工业排放、火灾等产生的污染物在空气中的扩散过程。 风能利用： 优化风力发电机设计，预测风场特性。 3. 能源与工业领域： 管道输运： 分析天然气、石油等在长距离管道中的流动特性。 燃烧器设计： 优化燃烧效率，减少污染物排放。 化工过程模拟： 涉及反应器、分离器等设备内的复杂流体流动。 4. 生物医学工程： 血液循环模拟： 分析血管内的血液流动，为疾病诊断和治疗提供依据。 呼吸系统模拟： 研究气体在呼吸道内的流动，辅助呼吸器设计。 5. 前沿展望： 多相流气体动力学： 探讨气体与液体、固体颗粒共存时的复杂流动现象。 等离子体动力学： 研究高温电离气体（等离子体）的动力学行为。 计算流体力学的最新进展： 介绍人工智能、机器学习在流体力学模拟中的应用。 五、 结论 《多维气体动力学基础》一书，致力于为读者提供一个理解和掌握多维气体动力学奥秘的全面而深入的途径。通过系统地介绍基本原理、深入探讨复杂现象、详细阐述数值方法，并展示其广泛的应用，本书旨在激发读者对这一迷人科学领域的兴趣，并为其在科研、工程和技术实践中提供有力的支持。掌握多维气体动力学的知识，不仅能帮助我们更深刻地认识自然界的普遍规律，更能为解决当今社会面临的诸多挑战提供关键的技术支撑。

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对于一位习惯了传统教科书的读者来说，这本书的章节组织结构给了我一个全新的启发。它并非简单地按照“定义-定理-证明”的模式进行，而是采用了“问题驱动-模型构建-理论深化”的逻辑链条。例如，在探讨气体动力学在极端条件下的失效机制时，作者首先提出了一个现实中观察到的反常现象，然后层层剥茧地引入新的统计力学工具来解释这个现象，最终导向了一个统一的、更宏观的框架。这种结构设计非常有利于理解知识的内在联系和发展的脉络。我发现，这种非线性的知识呈现方式，反而能让我更好地将新学的概念与已有的物理知识体系进行关联和整合。书中对不同物理尺度（分子尺度、连续介质尺度）之间过渡的描述尤为精妙，它清晰地展示了宏观现象如何从微观动力学中涌现出来，这在很多简化处理的教材中是缺失的关键环节。这本书无疑是为那些寻求深度理解而非仅仅满足于公式应用的读者准备的。

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这本书的深度绝对是超出预期的，它毫不留情地将读者带入了理论物理的最前沿。我尤其欣赏作者在处理高维系统时的数学严谨性。很多教材在涉及到张量分析或者黎曼几何时往往草草带过，但在这里，作者花费了大量的篇幅去铺垫必要的数学工具，并且每一个公式的推导都清晰可见，绝不含糊。当我读到关于非平衡态统计力学在多组分系统中的应用时，我简直是手舞足蹈。它不仅涵盖了传统的玻尔兹曼方程的修正形式，还引入了最新的介观理论视角，这对于我目前正在进行的研究工作具有直接的指导意义。有一章专门讨论了奇异性捕获和数值模拟中的网格适应性策略，这部分内容无疑是为那些有志于从事计算流体力学（CFD）的同行量身定做的“干货”。这本书的参考文献列表也极其丰富和前沿，显示出作者在学界拥有广泛的资源和视野。读完这部分内容，我感觉自己的知识结构得到了极大的强化和拓展，完全不是那种停留在表面概念的科普读物能比拟的。

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这本书的封面设计真是让人眼前一亮，那种深邃的蓝色调，配上星云般的纹理，一下子就抓住了我的注意力。我本来还担心内容会过于晦涩，但翻开第一页，就被作者清晰的逻辑和严谨的推导所折服。虽然我对流体力学一直有点怵头，但这本书的开篇介绍部分，居然能用如此直观的语言来阐述基本概念，这一点非常难得。特别是关于边界层理论的讲解，简直是化繁为简的典范。书中插图的质量也是一流的，那些复杂的流场可视化图谱，不仅是学术的支撑，更是艺术的享受。我记得有一次为了理解一个湍流模型的推导过程，我反复看了好几遍，最后发现书中对每一步假设的讨论都极其到位，让人不得不佩服作者深厚的功底。总而言之，这本书在视觉传达和基础概念梳理上，达到了一个非常高的水准，为接下来的深入学习打下了坚实的基础。它不是那种让人望而却步的“天书”，反而像是一位经验丰富的导师，耐心地领着你一步步走进这个迷人的领域。

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坦白说，这本书的阅读体验更像是参与一场精心策划的学术研讨会，而不是被动地接受知识灌输。作者的叙事风格非常具有“对话感”，他似乎总是在预判读者可能会产生的疑问，并立即在下一段给出合理的解释或反驳。例如，在讲解气体分子间相互作用势能模型时，书中不仅对比了Lennard-Jones势和更精确的Kihara势的适用范围，还深入分析了每种模型在不同温度和密度下的局限性，这种辩证的思考方式极大地提升了我的批判性思维能力。再者，书中穿插的那些历史典故和科学发现的小插曲，让原本严肃的理论学习过程变得生动有趣。我特别喜欢其中关于早期真空技术发展过程中遇到的测量难题的描述，这让我意识到，每一个伟大的理论背后，都凝聚着无数实验工作者的心血。这本书的行文流畅自然，即便是处理那些极度抽象的概念，也能保持一种令人愉悦的节奏感，让人愿意一口气读下去，探索未知的边界。

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这本书的实用性和可操作性是令人称赞的。它不仅仅停留在纯粹的理论探讨上，而是非常注重理论与工程实践的结合。在涉及气体混合物扩散和反应动力学的部分，作者给出了大量基于实际工业流程的案例分析。我特别关注到其中关于反应器内气体混合均匀性的模拟方法，书中详细列举了常用的数值方法，并对它们的精度和计算效率进行了比较分析。更实用的是，书的附录部分包含了几个关键的无量纲化公式和修正系数的查找表，这对于正在进行设计计算的工程师来说，无疑是节省了大量时间的高价值资源。我感觉这本书的作者不仅是理论大师，更是一位深谙工程实践的专家。它成功地搭建了一座坚实的桥梁，连接了高度抽象的统计物理和需要精确计算的工程设计，使得复杂的动力学模型不再是高悬在空中的理论，而是可以被有效工具化和应用到实际问题中的有力武器。

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