計(jì)算熱物理引論

前言

2008年是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)建校五十周年。為了反映五十年來(lái)辦學(xué)理念和特色，集中展示教材建設(shè)的成果，學(xué)校決定組織編寫(xiě)出版代表中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教學(xué)水平的精品教材系列。在各方的共同努力下，共組織選題281種，經(jīng)過(guò)多輪、嚴(yán)格的評(píng)審，最后確定50種入選精品教材系列。1958年學(xué)校成立之時(shí)，教員大部分都來(lái)自中國(guó)科學(xué)院的各個(gè)研究所。作為各個(gè)研究所的科研人員，他們到學(xué)校后保持了教學(xué)的同時(shí)又作研究的傳統(tǒng)。同時(shí)，根據(jù)“全院辦校，所系結(jié)合”的原則，科學(xué)院各個(gè)研究所在科研第一線工作的杰出科學(xué)家也參與學(xué)校的教學(xué)，為本科生授課，將最新的科研成果融入到教學(xué)中。五十年來(lái)，外界環(huán)境和內(nèi)在條件都發(fā)生了很大變化，但學(xué)校以教學(xué)為主、教學(xué)與科研相結(jié)合的方針沒(méi)有變。正因?yàn)閳?jiān)持了科學(xué)與技術(shù)相結(jié)合、理論與實(shí)踐相結(jié)合、教學(xué)與科研相結(jié)合的方針，并形成了優(yōu)良的傳統(tǒng)，才培養(yǎng)出了一批又一批高質(zhì)量的人才。學(xué)校非常重視基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)的傳統(tǒng)，也是她特別成功的原因之一。當(dāng)今社會(huì)，科技發(fā)展突飛猛進(jìn)、科技成果日新月異，沒(méi)有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，很難在科學(xué)技術(shù)研究中作出重大貢獻(xiàn)。建校之初，華羅庚、吳有訓(xùn)、嚴(yán)濟(jì)慈等老一輩科學(xué)家、教育家就身體力行，親自為本科生講授基礎(chǔ)課。他們以淵博的學(xué)識(shí)、精湛的講課藝術(shù)、高尚的師德，帶出一批又一批杰出的年輕教員，培養(yǎng)了一屆又一屆優(yōu)秀學(xué)生。這次入選校慶精品教材的絕大部分是本科生基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課的教材，其作者大多直接或間接受到過(guò)這些老一輩科學(xué)家、教育家的教誨和影響，因此在教材中也貫穿著這些先輩的教育教學(xué)理念與科學(xué)探索精神。

內(nèi)容概要

本書(shū)較為系統(tǒng)地介紹了求解熱物理問(wèn)題的三種數(shù)值方法一有限容積法、有限差分法和有限元法，其中著重于介紹熱物理中用得最多的有限容積法。全書(shū)共10章：第1章，緒論，介紹學(xué)科背景；第2～3章，為有限容積法和有限差分法的基礎(chǔ)部分，重點(diǎn)講述離散方法及其離散格式的定性性質(zhì)；第4～7章，側(cè)重于有限容積法，講述數(shù)值方法在熱物理問(wèn)題中的應(yīng)用；第8～9章，為提高部分，介紹代數(shù)解法和網(wǎng)格生成技術(shù)；第10章，講述有限元法基礎(chǔ)及其在熱物理中的應(yīng)用。全書(shū)內(nèi)容取材廣泛，層次分明，概念清晰，論述嚴(yán)謹(jǐn)，理實(shí)并重，適用性強(qiáng)。    本書(shū)可以作為理工院校熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生和研究生教材，也可供相近專(zhuān)業(yè)師生以及工程技術(shù)人員和科研人員參考。

書(shū)籍目錄

總序前言第1章　緒論  1.1　熱物理問(wèn)題數(shù)值研究的起源和發(fā)展  1.2　熱物理問(wèn)題數(shù)值研究與理論、實(shí)驗(yàn)研究之問(wèn)的關(guān)系  1.3　計(jì)算熱物理研究的基本任務(wù)  1.4　本書(shū)內(nèi)容梗概  參考文獻(xiàn)第2章　熱物理問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述與偏微分方程的分類(lèi)　2.1　熱物理過(guò)程的控制方程    2.1.1　連續(xù)方程    2.1.2  動(dòng)量方程    2.1.3　能量方程    2.1.4　化學(xué)組分方程    2.1.5  控制方程的通用形式  2.2　偏微分方程的物理分類(lèi)和數(shù)學(xué)分類(lèi)    2.2.1　偏微分方程的物理分類(lèi)    2.2.2　偏微分方程的數(shù)學(xué)分類(lèi)    2.2.3　解的適定和定解條件  參考文獻(xiàn)第3章　離散方法基礎(chǔ)  3.1　解域離散    3.1.1　解域離散概念    3.1.2　網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)設(shè)置方式和標(biāo)識(shí)    3.1.3  網(wǎng)格生成過(guò)程需注意的問(wèn)題  3.2　微分方程的有限差分法離散……第4章  擴(kuò)散方程的數(shù)值方法第5章  對(duì)流擴(kuò)散方程的數(shù)值方法第6章  回流問(wèn)題流動(dòng)—傳熱耦合計(jì)算的數(shù)值方法第7章  湍流流動(dòng)—傳熱耦合計(jì)算的數(shù)值方法第8章  離散化代數(shù)方程組的求解第9章  網(wǎng)格生成第10章  熱物理中的有限元法基礎(chǔ)習(xí)題

章節(jié)摘錄

插圖：從前幾節(jié)所述可知，計(jì)算熱物理是一門(mén)交叉性的前沿學(xué)科，它所涉及的研究?jī)?nèi)容相當(dāng)豐富。擬作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課教材，為未曾接觸過(guò)數(shù)值計(jì)算的高年級(jí)大學(xué)本科生和碩士研究生，有選擇地介紹幾種離散數(shù)值方法的基礎(chǔ)理論和在熱科學(xué)中的應(yīng)用。通過(guò)學(xué)習(xí)，使讀者理解數(shù)值計(jì)算的基本原理，掌握數(shù)值計(jì)算的一些主要方法，能夠理論聯(lián)系實(shí)際，初步具有對(duì)熱物理問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的能力，為進(jìn)一步用數(shù)值方法從事熱科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。按照這一設(shè)想，全書(shū)內(nèi)容包含以下10章：第1章，緒論，介紹學(xué)科背景。第2章，首先概述熱物理問(wèn)題的控制方程，作為我們開(kāi)展數(shù)值研究的數(shù)學(xué)模型；進(jìn)而介紹一般偏微分方程的物理分類(lèi)和數(shù)學(xué)分類(lèi)，闡述不同類(lèi)型的數(shù)學(xué)物理方程具有不同的數(shù)學(xué)物理特征，對(duì)數(shù)值求解有不同的要求。這既是為分清我們隨后要討論的熱物理問(wèn)題控制方程類(lèi)型做準(zhǔn)備，也是為讀者今后自己有能力發(fā)展新的數(shù)學(xué)模型打基礎(chǔ)。第3章，選擇有限差分和有限容積兩種方法，講述離散方法基礎(chǔ)。介紹構(gòu)造解域離散、微分方程離散的方法。在此基礎(chǔ)上，對(duì)離散格式的有效性進(jìn)行分析，闡述離散方程一系列數(shù)值特性的基本概念和分析方法，重點(diǎn)討論格式的誤差與精度、相容性、穩(wěn)定性、守恒性、擴(kuò)散性（耗散性）及傳輸性。第2～3章，是本書(shū)的基礎(chǔ)。應(yīng)該說(shuō)，掌握了幾種基本的離散方法，能把連續(xù)的微分方程變?yōu)殡x散的代數(shù)方程，通過(guò)分析，離散格式又能使這些代數(shù)方程滿(mǎn)足格式的有效性要求，加上讀者也掌握了一些代數(shù)方程的基本求解技巧，就可以對(duì)一個(gè)有確定數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題數(shù)值求解了。但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。以下4～7章，作為基礎(chǔ)理論的應(yīng)用，主要采用熱物理問(wèn)題數(shù)值求解中用得最多的有限容積法對(duì)擴(kuò)散問(wèn)題、對(duì)流擴(kuò)散問(wèn)題、湍流問(wèn)題等的數(shù)值計(jì)算進(jìn)行討論。作為基礎(chǔ)理論的補(bǔ)充和提高部分，8～9章介紹了代數(shù)解法和網(wǎng)格生成技術(shù)。由于有限元方法在熱物理數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用日漸廣泛，第10章簡(jiǎn)要介紹了有限元方法。

編輯推薦

《計(jì)算熱物理引論》：“十一五”國(guó)家重點(diǎn)圖書(shū),中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精選教材。

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