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出版者:

作者:Frost, Brian R. T.

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价格:17.5

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isbn号码:9780080204116

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• 核燃料
• 核工程
• 核材料
• 放射化学
• 核反应堆
• 燃料性能
• 燃料循环
• 核安全
• 材料科学
• 同位素技术

复杂流体力学在能源系统中的应用：理论基础与前沿探索 本书旨在深入探讨复杂流体力学现象在现代能源系统设计、优化与安全运行中的核心作用。 聚焦于超越传统欧拉方程和纳维-斯托克斯方程所能充分描述的非线性、多尺度、跨介质流动问题，本书构建了一个从微观机理到宏观系统集成的完整知识框架。 本书的叙述结构围绕三个核心部分展开：理论基础的深化与扩展、复杂多相流的建模与仿真、以及前沿能源技术中的实际应用。 --- 第一部分：复杂流体力学理论基础的深化与扩展 本部分着重于巩固和提升读者对经典流体力学方程组的理解，并引入现代计算流体力学（CFD）为解决复杂问题所必需的理论工具。 第一章：湍流模型的精确化与不确定性量化 本章详细考察了湍流流动的内在随机性与非定常特性。首先回顾了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法的局限性，特别是其在处理高剪切层、分离流和旋转流体时的预测精度瓶颈。随后，深度剖析了大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）的原理、计算成本及其在复杂几何体周围流动解析中的优势。重点讨论了亚格子尺度（Subgrid-Scale, SGS）模型的演进，包括混合模型（如混合RANS/LES）的最新发展。此外，引入了基于贝叶斯推断和蒙特卡洛方法的不确定性量化（Uncertainty Quantification, UQ）技术，用于评估模型输入参数和数值离散化误差对流动场预测结果的影响，这对于高风险能源系统的设计至关重要。 第二章：多尺度耦合与界面动力学 能源系统中的流动往往涉及不同尺度（从分子扩散到湍流涡旋）和不同相态之间的相互作用。本章聚焦于跨尺度耦合的数学描述。内容涵盖了如何利用均化方法（Homogenization）处理多孔介质或多孔结构中的宏观流动，以及如何采用界面捕获技术（如水平集法、体积之流（VOF））精确追踪相界面（如气液、液液界面）的演化。探讨了界面张力、Marangoni效应以及在微重力或强重力场下（如旋转流体）对界面形态的塑造机制。 第三章：高保真数值方法与高性能计算 本章侧重于将先进的数学方法应用于实际工程问题的计算实现。详细阐述了求解高精度、非结构化网格上复杂守恒律方程的有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）的最新进展。探讨了时间离散化中的隐式与显式格式的选择及其对稳定性和计算效率的影响。特别关注了伴随方法（Adjoint Methods）在优化设计（如降低阻力或提高传热效率）中的应用，以及如何利用GPU加速和并行计算技术（如MPI与OpenMP的混合编程）来处理万亿级别网格的模拟任务。 --- 第二部分：复杂多相流的建模与仿真 本部分将理论基础应用于处理能源转换和传输过程中普遍存在的复杂多相流体问题。 第四章：气液两相流动的热力学耦合 深入分析了在换热器、锅炉和冷却系统中常见的沸腾、冷凝和夹带现象。本章详述了泡核生成、增长和破裂的微观机制。重点探讨了包含非平衡效应的两相流模型，例如利用两流体模型（Two-Fluid Model）来分别描述气相和液相的动量、能量和质量传输，并精确处理两相间的动量交换项（阻力、升力）。对于核反应堆安全分析中至关重要的瞬态热工水力学（Thermal-Hydraulics）问题，本书提供了详细的瞬态两相流方程组的求解策略。 第五章：固液悬浮流与颗粒输运 针对浆态床反应器、粉煤气化过程以及固体物料的管道输送，本章研究了颗粒在流体中的运动。区分了稀疏（Eulerian-Lagrangian）和稠密（Eulerian-Eulerian）颗粒流的建模范式。对于稠密流，详细分析了颗粒碰撞模型（如Kinetic Theory of Granular Flow, KTGF）在模拟颗粒剪切应力和压力梯度中的应用。还探讨了颗粒表面传热、扩散以及颗粒团聚或分散的动力学过程。 第六章：磁流体力学（MHD）与等离子体动力学 本章关注导电流体在电磁场作用下的行为，这在聚变能源、电磁泵和电磁流体力学推进中至关重要。基于Navier-Stokes方程和麦克斯韦方程的耦合，推导了MHD控制方程。讨论了洛伦兹力对流场结构（如抑制湍流、诱导流）的深刻影响，并分析了阿耳芬波（Alfvén Waves）在磁流体系统中的传播特性。对于高温等离子体，引入了玻尔兹曼输运方程（Boltzmann Transport Equation）在描述非平衡态粒子行为中的作用。 --- 第三部分：前沿能源技术中的实际应用案例 最后一部分将前面介绍的所有理论工具应用于解决当前能源领域最紧迫的工程挑战。 第七章：先进反应堆的流动与传热分析 聚焦于下一代反应堆设计中的关键流体力学挑战。对于快堆和熔盐堆，研究了高温、高粘度流体在复杂堆芯几何结构中的流动与传热性能。重点分析了自然循环冷却系统的可靠性，包括瞬态工况下的热分层和回流现象。针对反应堆停堆后的余热排出问题，应用所学的多相流模型来预测蒸汽或惰性气体在停堆冷却回路中的流动模式，以确保系统不发生局部过热。 第八章：高效储能系统的流体工程 本章探讨了热储能（如熔融盐储罐）和电化学储能（如燃料电池、液流电池）中的流动优化。在热储能系统中，研究了浮力驱动下的热分层效率，以及如何通过导流结构最小化热量混合损失。在燃料电池领域，分析了气体扩散层（GDL）内的气液两相流动，特别关注水管理的优化，即如何有效排出液态水同时保证反应物（氢气和氧气）的均匀供给，以避免“淹死效应”（Flooding）。 第九章：可再生能源系统中的环境流体力学 本章将视野扩展到风能和海洋能领域。在风能方面，深入分析了大型风机叶片绕流分离、尾流效应以及叶片与叶片之间的非定常气动载荷。应用高保真CFD模拟来指导新型叶片轮廓的设计。在海洋能方面，研究了波浪与潮汐能转换装置（如振荡水柱、海洋涡轮机）周围的复杂瞬态水动力载荷和气蚀现象，确保结构在恶劣海况下的耐久性。 本书的每一章都结合了最新的实验数据验证和数值模拟案例，旨在为研究人员、工程师和高级学生提供一个全面、深入且具有高度实用性的复杂流体力学工具箱，以应对未来能源技术对流动和传热控制的严苛要求。

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这本书的叙事节奏掌控得相当出色，它没有陷入早期文献中那种堆砌公式和数据的窠臼。相反，它更像是一部精心编排的交响乐，从最基础的燃料制造工艺——粉末冶金到热压烧结的每一个细节，都娓娓道来。我特别欣赏作者在讨论燃料性能衰变曲线时所采用的辩证视角。他们不仅展示了“理想”状态下的性能预测，还细致地探讨了制造批次差异、微观结构不均匀性如何导致实际堆芯功率分布的偏差。这种对“不完美”的坦诚描述，极大地增强了本书的实用价值。例如，在描述铀二氧化物晶界扩散机制时，作者巧妙地穿插了关于制造过程中气氛控制对最终材料性能影响的讨论，这使得材料性能和制备工艺之间的因果链条清晰可见。对于那些希望从宏观层面理解反应堆物理，却又想深入微观材料行为的读者来说，这本书提供了一个绝佳的桥梁。它成功地将复杂的物理化学过程，转化为可操作、可理解的工程实践指导方针。

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读完这本书，我有一种强烈的“解密感”。它仿佛是打开了一个原本对外界高度保密的工业领域内部手册。特别是在涉及燃料棒装载和操作限制（如燃耗深度限制）的章节，作者的论述逻辑严密而富有说服力。他们没有简单地给出“必须低于X GWD/tU”的结论，而是回溯性地解释了为什么特定的燃耗极限会导致包壳的脆化，以及在什么温度和辐照剂量组合下，材料会表现出不可逆的损伤。这种基于第一性原理的解释，远比背诵规范更让人信服。书中对“起泡”（swelling）现象的分析尤其精彩，它不仅讨论了气体在晶格内的迁移和聚集，还引入了先进的电子显微镜图像作为佐证，清晰地展示了不同燃耗水平下气泡的形态变化。这种将理论、实验数据和实际工程限制紧密结合的写作手法，使得本书不仅是学术参考，更像是一份资深工程师的经验总结。对于刚刚接触核能领域的新人，这本书能帮他们迅速建立起对燃料元件“寿命”这一核心概念的敬畏之心。

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这部关于核燃料元件的著作，着实让人眼前一亮。它不仅仅是一本教科书式的陈述，更像是一次深入的工业考古之旅。作者对材料科学的理解，尤其是在高温、高辐照环境下材料行为的洞察，是其最引人注目的地方。我印象最深的是关于锆合金包壳管腐蚀机制的深入剖析，书中详尽地列举了从低温水腐蚀到高温蒸汽氧化等多种失效模式，并结合实际反应堆运行中的案例进行了对比分析，这使得原本枯燥的化学反应过程变得生动且具有实际指导意义。书中对燃料棒设计参数优化过程的描述，那种权衡安全裕度与燃烧效率的复杂决策过程，展现了工程师们在追求极限性能时所面临的巨大挑战。读完这部分，我仿佛能闻到实验室里那种金属特有的气味，感受到研发人员为解决一个微小缺陷所付出的不懈努力。尤其是关于燃料-包壳相互作用（FCI）的建模部分，作者采用了非常直观的图表和类比，即便是对这方面研究不够深入的读者，也能快速抓住其核心物理和化学机理。对于任何想在反应堆工程领域深耕的人来说，这本书提供的基础知识和前沿思考深度是无可替代的。

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这本书在处理与“燃料安全”相关的敏感话题时，展现了极高的专业素养和客观性。它没有回避过去核能历史上遇到的挑战，而是将这些挑战视为推动技术进步的动力。例如，在讨论冷却剂失水事故（LOCA）对燃料包壳的影响时，作者详细阐述了锆-水反应的动力学模型，并着重分析了如何通过改进包壳材料（如使用SiC涂层或更耐腐蚀的合金）来拓宽安全裕度。这种前瞻性的探讨，使得本书的价值超越了当前反应堆的标准设计。我尤其欣赏其对“闭式燃料循环”背景下燃料性能需求的展望。它不仅关注现有轻水堆的燃料，还深入探讨了先进反应堆，如快堆或熔盐堆燃料所面临的独特挑战，例如在高通量快中子注量下的嬗变效应。这种对未来技术路线的持续关注，证明了作者的视野并未局限于当下，而是对整个核燃料技术生态系统的演变保持着敏锐的洞察力。

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阅读体验上，这部作品的结构清晰得令人赞叹。作者似乎非常了解读者的认知路径，从宏观的堆芯布局到微观的原子排列，层层递进，毫无跳跃感。例如，在描述燃料元件的制造公差对中子学性能的影响时，作者先用一个简洁的示意图展示了不同燃料棒间距对局部热点因子的影响，随后才引入复杂的有限元分析结果。这种从“看得到”到“算得出”的过渡非常自然流畅。此外，书中的参考文献列表详实而权威，涉及了多个年代的经典研究和最新的国际会议论文，这为希望进一步探索特定子领域的读者提供了坚实的起点。总体而言，这本书的行文风格稳健、数据详实、论证充分，它不仅是一本关于“核燃料元件”的专业手册，更像是一部关于如何在极端物理条件下实现可靠能量转换的工程哲学教材。它需要的不仅仅是时间去阅读，更需要思考去消化其中的智慧。

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