本書共11章。第1章介紹了分子氣體動力學的工程需求、發(fā)展歷程及其科學內涵。第2章和第3章分別介紹了分子動理論的基本概念以及圍繞玻爾茲曼（Boltzmann）方程展開的核心理論。第4章介紹了直接模擬蒙特卡洛（DSMC）方法及其應用。第5章和第6章聚焦于分子氣體動力學中的兩個典型場景：自由分子流和滑移流。第7章和第8章介紹了多原子分子的內能模型和化學反應模型，以及它們在DSMC方法中的實現(xiàn)。第9章和第10章聚焦于本領域的最新研究進展：多尺度粒子方法和低噪聲粒子方法。第11章探討了由分子熱運動引發(fā)的熱漲落效應。
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Advances in Aerodynamics編委、《航空學報》青年編委、力學學會高溫氣體動力學專業(yè)組成員
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 分子氣體動力學的工程需求 2
1.2 分子氣體動力學的發(fā)展歷史 7
1.3 分子氣體動力學的科學內涵 9
參考文獻 10
第2章 分子動理論基礎 13
2.1 分子運動與碰撞的特征物理量 13
2.2 宏觀量的表達.17
2.3 分子速度分布函數(shù) 26
2.3.1 宏觀量的表達 27
2.3.2 平衡態(tài)分布——Maxwell分布 28
2.4 分子二體彈性碰撞 34
2.4.1 分子的二體彈性碰撞模型 34
2.4.2 分子碰撞截面 41
2.4.3 分子碰撞模型 43
2.5 氣體分子在壁面的反射 50
2.5.1 分子在壁面處的速度分布函數(shù) 50
2.5.2 散射核 52
2.5.3 鏡面反射模型 52
2.5.4 漫反射模型 53
2.5.5 Maxwell模型 54
2.5.6 CLL模型 55
參考文獻 56
第3章 Boltzmann方程及其性質 57
3.1 Boltzmann方程 57
3.1.1 Boltzmann方程的推導 57
3.1.2 Boltzmann方程的假設 60
3.2 宏觀輸運方程.60
3.2.1 Boltzmann方程的矩方程 61
3.2.2 碰撞積分 62
3.2.3 守恒方程 65
3.3 H 定理與平衡態(tài) 67
3.3.1 H定理 67
3.3.2 平衡態(tài)分布 68
3.3.3 歐拉方程 69
3.3.4 熱力學第二定律 69
3.4 近平衡態(tài)的Chapman-Enskog方法 70
3.4.1 微分方程的攝動法 70
3.4.2 Boltzmann方程的Chapman-Enskog方法 72
3.4.3 Navier-Stokes-Fourier方程.76
3.5 Boltzmann方程的自由分子流解 76
3.6 動理學模型 77
3.6.1 BGK模型 77
3.6.2 ES-BGK模型 79
3.6.3 Shakhov模型 80
3.6.4 Fokker-Planck模型 81
3.6.5 ES-FP模型 83
參考文獻 84
第4章 DSMC方法 85
4.1 Monte Carlo方法的基本原理 86
4.1.1 布豐投針實驗 87
4.1.2 Monte Carlo方法示例.88
4.1.3 Monte Carlo抽樣方法.89
4.2 DSMC方法的基本原理 93
4.2.1 DSMC方法的基本思想 93
4.2.2 DSMC方法的實現(xiàn) 95
4.3 DSMC方法的求解實例 103
4.4 DSMC方法的應用 104
4.4.1 庫埃特流動 104
4.4.2 泊肅葉流動 106
4.4.3 頂蓋驅動的方腔流 108
4.4.4 高超聲速平板繞流 111
4.4.5 高超聲速鈍頭體繞流 112
參考文獻 116
第5章 自由分子流.119
5.1 表面元素的分子數(shù)目通量和動量通量 119
5.2 表面元素的氣動力 122
5.2.1 表面元素的壓力與剪切應力.122
5.2.2 簡單幾何外形的氣動力 124
5.2.3 極高熱力學流動 126
5.3 表面元素的氣動熱 127
5.4 傅里葉傳熱與庫埃特流動問題 130
5.4.1 傅里葉傳熱 130
5.4.2 庫埃特流動 132
5.5 超低軌衛(wèi)星的氣動阻力計算與分析 133
5.5.1 衛(wèi)星氣動阻力的基本原理.134
5.5.2 超低地球軌道環(huán)境 136
5.5.3 氣動阻力計算與分析 137
5.5.4 氣動減阻設計 139
5.5.5 總結與展望 139
參考文獻 140
第6章 滑移流 141
6.1 基于半通量方法的滑移邊界條件的推導 142
6.1.1 速度滑移邊界條件 143
6.1.2 溫度跳躍邊界條件 146
6.1.3 向CLL散射模型的推廣 148
6.2 采用矩方法對滑移邊界條件的推導 149
6.3 滑移邊界條件的應用151
6.3.1 庫埃特流動的理論分析 151
6.3.2 高超聲速圓柱繞流的數(shù)值計算 153
參考文獻 155
第7章 多原子分子的內能模式 156
7.1 多原子氣體的內能松弛 156
7.1.1 分子的內能模式、內自由度與內能分布函數(shù) 156
7.1.2 氣體內能松弛過程 159
7.1.3 碰撞松弛數(shù) 160
7.2 DSMC中的多原子內能模型 163
7.2.1 粒子內能的初始化及溫度統(tǒng)計 163
7.2.2 非彈性碰撞后的能量分配 164
7.2.3 振動能的離散量子模型 167
7.2.4 非彈性碰撞對選擇算法 168
7.3 多原子分子氣體流動的DSMC應用實例 170
7.3.1 熱非平衡氣體的多溫度松弛 170
7.3.2 高超聲速圓柱繞流 172
參考文獻 173
第8章 化學反應 175
8.1 宏觀流動的化學反應速率模型.175
8.2 DSMC方法中的化學反應模型 176
8.2.1 DSMC方法中的離解化學反應速率模型 176
8.2.2 DSMC方法中的復合化學反應速率模型 179
8.2.3 化學反應后粒子速度和能量分配 180
8.3 DSMC模擬化學反應流動實例 182
8.3.1 零維化學反應驗證 182
8.3.2 二維化學反應計算結果 183
參考文獻 186
第9章 多尺度粒子方法 188
9.1 基于BGK模型的隨機粒子方法 188
9.1.1 BGK類模型方程 188
9.1.2 隨機粒子方法的實現(xiàn) 189
9.2 基于BGK模型的統(tǒng)一隨機粒子方法 191
9.2.1 USP方法的導出 191
9.2.2 USP方法的實現(xiàn) 196
9.3 USP方法在多尺度流動中的應用 198
9.3.1 SPARTACUS求解器介紹 198
9.3.2 頂蓋驅動的方腔流 200
9.3.3 高超聲速圓柱繞流 202
9.3.4 類X-38構型高超聲速繞流 206
9.4 基于Fokker-Planck模型的隨機粒子方法 208
9.4.1 Fokker-Planck模型與朗之萬方程 208
9.4.2 粒子Fokker-Planck方法實現(xiàn) 210
9.5 基于Fokker-Planck模型的多尺度隨機粒子方法 212
9.5.1 粒子ES-FP方法 212
9.5.2 MSP 方法 213
參考文獻 215
第10章 低噪聲粒子方法 217
10.1 信息保存方法的發(fā)展歷程 217
10.2 信息保存方法的統(tǒng)一理論框架 218
10.2.1 速度–信息聯(lián)合分布和信息增廣的Boltzmann方程 218
10.2.2 宏觀信息輸運方程 220
10.2.3 信息輸運性質分析 221
10.2.4 信息補償 222
10.2.5 信息保存方法的實現(xiàn) 223
10.3 信息保存方法的應用.224
10.3.1 低速庫埃特流動 225
10.3.2 傅里葉流動 226
10.3.3 泊肅葉流動 226
10.3.4 熱蠕動 227
參考文獻 230
第11章 分子熱漲落 232
11.1 平衡態(tài)熱漲落關聯(lián)及輸運特性 232
11.1.1 熱漲落的方均值 232
11.1.2 熱漲落的空間關聯(lián) 233
11.1.3 熱漲落的時空關聯(lián) 235
11.2 熱漲落的分子模擬 237
11.3 熱漲落對湍流的影響 241
參考文獻 244
附錄A Chapman-Enskog展開 247
A.1 BGK 模型方程.247
A.2 Fokker-Planck模型方程 247
A.3 Boltzmann方程 249
附錄B 一維庫埃特流動DSMC示例程序 254
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