- 科学出版社
- 9787030854131
- 1版
- B5
- 2026-05
作者简介
内容简介
本书共分为7章。第1章为绪论，阐述稀薄气体的基本概念与内涵、Boltzmann方程的基本性质、计算方法、气固边界描述面临的挑战与研究现状。第2章推导广义流体动力学的基本方程组，并在Eu高阶矩封闭与绝热假设基础上建立非线性耦合本构模型。第3章系统地论述非线性耦合本构模型的计算方法，主要包括非线性方程的内迭代算法和基于非结构网格的数值计算方法。第4章建立同时考虑稀薄气体效应与高温气体效应的耦合模型，阐述临近空间极端飞行环境下各类物理化学非平衡现象与稀薄流动的耦合效应。第5章从微观粒子运动与碰撞的直接物理描述出发，建立适用于热化学非平衡流的粒子模拟混合方法。第6章采用介观描述全面地介绍统一气体动理学格式和统一气体动理学波粒子的相关方法与概念，以及基于此发展的模型拓展方法和联合流体粒子方法。第7章主要研究适用于非平衡流动的气固相互作用微观模型，建立气体在热非平衡态下的修正散射核模型，提出考虑表面粗糙度的普适滑移边界条件。
目录
目录
丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 稀薄气体流动的基本概念 1
1.2 Boltzmann方程的简化理论与计算方法 4
1.2.1 Boltzmann方程及其属性 4
1.2.2 矩方法 6
1.2.3 模拟粒子法 11
1.2.4 统一方法 13
1.3 气固边界条件 16
1.4 参考文献 31
第2章 Boltzmann广义流体动力学矩方程 42
2.1 广义流体动力学方程 43
2.1.1 广义流体动力学方程推导 43
2.1.2 广义流体动力学的分布函数 48
2.1.3 分布函数的截断与展开 55
2.1.4 碰撞累积项的展开处理 58
2.2 非线性耦合本构模型 63
2.2.1 Eu高阶矩封闭与绝热假设 63
2.2.2 非线性耦合本构模型的无量纲化 67
2.3 矩方程属性探讨 70
2.3.1 Grad矩方程和Eu修正矩方程 70
2.3.2 封闭理论和绝热假设 73
2.3.3 一维耦合求解 75
2.3.4 奇异“子激波”问题 77
2.4 参考文献 80
第3章 非线性耦合本构流体力学方程计算方法 83
3.1 非线性耦合本构方程的迭代算法 83
3.1.1 分裂算法 83
3.1.2 耦合算法 97
3.1.3 时间相关算法 103
3.2 非结构网格计算方法 110
3.3 典型流动模拟与分析 112
3.3.1 一维激波结构 112
3.3.2 二维氩气圆柱绕流 116
3.3.3 三维超声速氩气球头绕流 118
3.3.4 高超声速飞行器雷达散射截面侧向喷流 120
3.4 参考文献 126
第4章 稀薄气体效应与高温气体效应的耦合建模 129
4.1 高超声速热化学非平衡流动 129
4.1.1 气体模型与高温气体效应 129
4.1.2 热力学状态与温度模型 132
4.2 耦合转动非平衡的非线性本构方程 134
4.2.1 体积黏性 135
4.2.2 双温度非线性耦合本构方程 139
4.2.3 典型流动数值模拟与分析 142
4.3 热化学非平衡流动与非线性耦合本构关系方程的耦合计算 147
4.3.1 热化学非平衡流动的NCCR方程 147
4.3.2 化学反应动力学模型和输运系数 149
4.3.3 典型流动数值模拟与分析 153
4.3.4 考虑非线性振动热流的非线性耦合本构模型 167
4.4 参考文献 172
第5章 热化学非平衡流动的粒子模拟 175
5.1 直接模拟蒙特卡罗方法 175
5.1.1 分子搜索技术 176
5.1.2 分子碰撞的计算过程 177
5.1.3 热力学非平衡模型 180
5.1.4 边界条件处理方法 182
5.1.5 化学反应碰撞理论 184
5.1.6 其他关键技术 189
5.2 平衡粒子模拟方法 190
5.2.1 平动能抽样方法 190
5.2.2 转动能抽样方法 191
5.2.3 多组分的平衡粒子模拟方法 192
5.3 热化学非平衡流动的粒子模拟混合方法 193
5.3.1 IPSHM的数值计算 193
5.3.2 热化学非平衡流动的IPSHM 198
5.4 典型流动数值模拟与分析 202
5.4.1 圆柱-裙模型外流场数值计算 202
5.4.2 高超声速圆球绕流数值计算 205
5.4.3 三维Orion外形的数值计算 208
5.5 参考文献 214
第6章 统一气体动理学方法 217
6.1 统一气体动理学波粒子方法 217
6.1.1 BGK模型的性质 217
6.1.2 BGK积分解与粒子演化 219
6.1.3 统一气体动理学粒子方法 221
6.1.4 统一气体动理学波粒子方法 222
6.2 统一气体动理学波粒子方法的模型拓展 225
6.2.1 复杂分布函数采样的蒙特卡罗方法 225
6.2.2 基于ESBGK模型的UGKWP方法 230
6.2.3 基于SBGK及其保正模型的UGKWP方法 235
6.2.4 基于激波结构的BGK模型验证与分析 241
6.3 基于N－S方程简化的联合流体-粒子方法 247
6.3.1 联合流体-粒子方法 248
6.3.2 动理学格式简化分析 251
6.3.3 联合流体粒子方法的复杂物理场拓展能力分析 255
6.3.4 高超声速圆柱绕流 260
6.4 参考文献 268
第7章 热非平衡气固相互作用模型与粗糙滑移边界 271
7.1 热非平衡态双原子气体的气固相互作用建模与分析 271
7.1.1 气固相互作用物理模型的建立 272
7.1.2 高斯混合模型和期望最大化算法 280
7.1.3 平动非平衡态入射气体的散射分析 286
7.2 考虑热非平衡的DSMC边界模型 292
7.2.1 基于机器学习的CLL散射核模型修正 293
7.2.2 修正CLL散射核模型在DSMC方法中的应用与验证 303
7.2.3 不同模型计算的滑移系数分析 309
7.3 粗糙表面滑移边界条件 317
7.3.1 粗糙表面模型 319
7.3.2 粗糙表面的滑移模型 322
7.3.3 典型流动数值模拟与分析 327
7.4 参考文献 341
附录A NCCR控制方程的无量纲化 345
附录B 一元三次方程和一元四次方程的求根公式 349
附录C Gupta空气化学反应模型 351
附录D 双原子N－S分布函数及附加体积应力推导 353
附录E EPSM抽样方法的具体实现步骤 355
丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 稀薄气体流动的基本概念 1
1.2 Boltzmann方程的简化理论与计算方法 4
1.2.1 Boltzmann方程及其属性 4
1.2.2 矩方法 6
1.2.3 模拟粒子法 11
1.2.4 统一方法 13
1.3 气固边界条件 16
1.4 参考文献 31
第2章 Boltzmann广义流体动力学矩方程 42
2.1 广义流体动力学方程 43
2.1.1 广义流体动力学方程推导 43
2.1.2 广义流体动力学的分布函数 48
2.1.3 分布函数的截断与展开 55
2.1.4 碰撞累积项的展开处理 58
2.2 非线性耦合本构模型 63
2.2.1 Eu高阶矩封闭与绝热假设 63
2.2.2 非线性耦合本构模型的无量纲化 67
2.3 矩方程属性探讨 70
2.3.1 Grad矩方程和Eu修正矩方程 70
2.3.2 封闭理论和绝热假设 73
2.3.3 一维耦合求解 75
2.3.4 奇异“子激波”问题 77
2.4 参考文献 80
第3章 非线性耦合本构流体力学方程计算方法 83
3.1 非线性耦合本构方程的迭代算法 83
3.1.1 分裂算法 83
3.1.2 耦合算法 97
3.1.3 时间相关算法 103
3.2 非结构网格计算方法 110
3.3 典型流动模拟与分析 112
3.3.1 一维激波结构 112
3.3.2 二维氩气圆柱绕流 116
3.3.3 三维超声速氩气球头绕流 118
3.3.4 高超声速飞行器雷达散射截面侧向喷流 120
3.4 参考文献 126
第4章 稀薄气体效应与高温气体效应的耦合建模 129
4.1 高超声速热化学非平衡流动 129
4.1.1 气体模型与高温气体效应 129
4.1.2 热力学状态与温度模型 132
4.2 耦合转动非平衡的非线性本构方程 134
4.2.1 体积黏性 135
4.2.2 双温度非线性耦合本构方程 139
4.2.3 典型流动数值模拟与分析 142
4.3 热化学非平衡流动与非线性耦合本构关系方程的耦合计算 147
4.3.1 热化学非平衡流动的NCCR方程 147
4.3.2 化学反应动力学模型和输运系数 149
4.3.3 典型流动数值模拟与分析 153
4.3.4 考虑非线性振动热流的非线性耦合本构模型 167
4.4 参考文献 172
第5章 热化学非平衡流动的粒子模拟 175
5.1 直接模拟蒙特卡罗方法 175
5.1.1 分子搜索技术 176
5.1.2 分子碰撞的计算过程 177
5.1.3 热力学非平衡模型 180
5.1.4 边界条件处理方法 182
5.1.5 化学反应碰撞理论 184
5.1.6 其他关键技术 189
5.2 平衡粒子模拟方法 190
5.2.1 平动能抽样方法 190
5.2.2 转动能抽样方法 191
5.2.3 多组分的平衡粒子模拟方法 192
5.3 热化学非平衡流动的粒子模拟混合方法 193
5.3.1 IPSHM的数值计算 193
5.3.2 热化学非平衡流动的IPSHM 198
5.4 典型流动数值模拟与分析 202
5.4.1 圆柱-裙模型外流场数值计算 202
5.4.2 高超声速圆球绕流数值计算 205
5.4.3 三维Orion外形的数值计算 208
5.5 参考文献 214
第6章 统一气体动理学方法 217
6.1 统一气体动理学波粒子方法 217
6.1.1 BGK模型的性质 217
6.1.2 BGK积分解与粒子演化 219
6.1.3 统一气体动理学粒子方法 221
6.1.4 统一气体动理学波粒子方法 222
6.2 统一气体动理学波粒子方法的模型拓展 225
6.2.1 复杂分布函数采样的蒙特卡罗方法 225
6.2.2 基于ESBGK模型的UGKWP方法 230
6.2.3 基于SBGK及其保正模型的UGKWP方法 235
6.2.4 基于激波结构的BGK模型验证与分析 241
6.3 基于N－S方程简化的联合流体-粒子方法 247
6.3.1 联合流体-粒子方法 248
6.3.2 动理学格式简化分析 251
6.3.3 联合流体粒子方法的复杂物理场拓展能力分析 255
6.3.4 高超声速圆柱绕流 260
6.4 参考文献 268
第7章 热非平衡气固相互作用模型与粗糙滑移边界 271
7.1 热非平衡态双原子气体的气固相互作用建模与分析 271
7.1.1 气固相互作用物理模型的建立 272
7.1.2 高斯混合模型和期望最大化算法 280
7.1.3 平动非平衡态入射气体的散射分析 286
7.2 考虑热非平衡的DSMC边界模型 292
7.2.1 基于机器学习的CLL散射核模型修正 293
7.2.2 修正CLL散射核模型在DSMC方法中的应用与验证 303
7.2.3 不同模型计算的滑移系数分析 309
7.3 粗糙表面滑移边界条件 317
7.3.1 粗糙表面模型 319
7.3.2 粗糙表面的滑移模型 322
7.3.3 典型流动数值模拟与分析 327
7.4 参考文献 341
附录A NCCR控制方程的无量纲化 345
附录B 一元三次方程和一元四次方程的求根公式 349
附录C Gupta空气化学反应模型 351
附录D 双原子N－S分布函数及附加体积应力推导 353
附录E EPSM抽样方法的具体实现步骤 355
