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出版者:R.T. Edwards, Inc.

作者:Thierry Poinsot

出品人:

页数:540

译者:

出版时间:2005

价格:$97.20

装帧:Paperback

isbn号码:9781930217102

丛书系列:

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《火焰的语言：燃烧的奥秘与模拟》 燃烧，作为一种古老而普遍的自然现象，深刻地影响着人类文明的进程，从最初的取暖、照明，到如今复杂的能源生产、航空航天推进，乃至精密的工业制造，燃烧无处不在，其背后蕴含着深奥的物理化学原理。本书并非直接探讨“Theoretical and Numerical Combustion”这一特定学术著作的内容，而是旨在从更广阔的视角，深入浅出地揭示燃烧现象本身所包含的科学之美及其研究方法。我们将追溯燃烧的本质，理解其驱动力，并探索我们如何通过理论与计算的手段来驾驭这股强大的力量。 燃烧的本质：能量的释放与物质的转化 从最基础的层面讲，燃烧是一种剧烈的化学反应，其核心在于物质分子键的断裂与重组，伴随着能量的大量释放。这种能量释放通常表现为热量和光，是我们感知火焰的直接来源。然而，燃烧远不止于此。它是一个复杂的多尺度、多物理过程的耦合体。在这个过程中，化学反应速率、物质传递（如扩散和对流）、热量传递（如传导和辐射）以及流体动力学效应相互交织，共同决定了燃烧的形态、效率和稳定性。 以木材燃烧为例，当木材被加热到一定温度时，其内部的挥发分首先会分解，与空气中的氧气发生气相反应，产生火焰。同时，木材的固相碳也逐渐被加热，发生固相氧化。在这个过程中，气体、液体和固体三相的相互作用，以及复杂的自由基化学反应链，共同构成了整个燃烧过程。火焰的形态——是平静的蓝色火焰，还是跳跃的黄色火焰，亦或是剧烈的爆燃——都取决于这些基本因素的微妙平衡。 理解燃烧的驱动力，需要我们深入到微观层面。化学反应动力学是理解燃烧化学的核心。各种燃料分子在高温下会经历一系列的链式反应，生成或消耗中间产物，直至最终产物（如二氧化碳和水）的生成。这些反应速率受到温度、压力、组分浓度以及是否存在催化剂等多种因素的影响。例如，氢氧燃烧的速率远高于碳氢化合物的燃烧，这解释了为何氢气作为一种清洁燃料，在某些应用中表现出极高的能量释放效率。 此外，燃烧过程中的能量传递同样至关重要。热量如何在反应区域内传递，决定了反应是否能够自我维持，即是否能够“自燃”。对流将热量带到未燃尽的燃料表面，促进其蒸发或分解；辐射则将热量传递到更远的区域，可能引发新的着火点。这些能量传递机制与化学反应耦合，形成了燃烧的动态演化。 火焰的科学：理论的探索 人类对燃烧的理解，经历了漫长的理论探索过程。早期，人们将其归结于一种名为“燃素”的神秘物质，直到拉瓦锡提出氧化理论，才将燃烧的本质与氧气联系起来。此后，化学家们致力于解析燃烧的化学反应机理，从简单的阿伦尼乌斯方程，到复杂的化学反应网络，我们不断地揭示着火焰背后更为精细的化学规律。 现代燃烧理论，将热力学、动力学、流体力学和传热学融为一体。热力学告诉我们燃烧反应的能量平衡，即反应释放或吸收多少能量。动力学则关注反应发生的速率和途径。流体力学则描述了火焰中气体的流动行为，包括湍流对混合和反应速率的影响。这些理论分支相互补充，共同构建了我们对燃烧现象的完整认知框架。 例如，在湍流燃烧的研究中，湍流的随机性和不规则性极大地影响了燃料与氧化剂的混合以及反应区域的形态。为了理解和控制湍流燃烧，科学家们发展了各种模型，试图捕捉湍流脉动与化学反应之间的相互作用。这包括了各种湍流-化学反应耦合模型，如有限速率化学模型、混合模型、火焰面模型等，它们各有优劣，适用于不同的燃烧场景。 燃烧的语言：数值的模拟 随着计算机技术的发展，数值模拟已成为研究燃烧不可或缺的强大工具。通过将上述理论模型转化为数学方程，并利用强大的计算能力进行求解，我们可以“看见”火焰的内部，预测其行为，并优化燃烧过程。 数值模拟首先需要将研究的几何区域离散化为大量的网格点或单元，然后求解控制流体、能量和化学组分守恒的偏微分方程组。这些方程组通常非常复杂，涉及非线性项和耦合项，需要精密的数值方法才能得到可靠的解。 常用的数值方法包括有限体积法（FVM）、有限差分法（FDM）和有限元法（FEM）。这些方法在离散化和求解方程组的过程中各有侧重。例如，有限体积法在处理守恒律方面表现出色，广泛应用于流体动力学模拟。 在燃烧模拟中，化学反应部分的处理尤为关键。由于燃烧化学反应机理可能包含数十甚至数百个基元反应和数十个化学物种，直接求解如此庞大的化学反应系统在计算上是非常昂贵的。因此，发展高效的化学反应求解器和化学简化方法，如降维模型（Dimension Reduction Models）和下拉模型（Laminar Flamelet Models），对于实际的燃烧模拟至关重要。 此外，湍流模型在模拟湍流燃烧时扮演着核心角色。从早期的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型，到更精细的涡分辨模拟（DES）和直接数值模拟（DNS），不同的湍流模型提供了不同尺度的信息，其精度和计算成本也随之变化。DNS能够直接解析所有尺度的湍流涡结构，提供最精确的结果，但计算成本极高，通常只能用于简单的几何和较低的雷诺数。 燃烧的应用与挑战 对燃烧的深入理解和精确模拟，在能源、环保、交通、工业等诸多领域具有极其重要的意义。例如，在内燃机设计中，通过模拟燃烧过程，可以优化燃料喷射策略、燃烧室形状，以提高燃油效率，降低有害排放物。在航空发动机和燃气轮机领域，燃烧的稳定性、高效性以及高温下的材料行为，是决定设备性能和寿命的关键。 在环保方面，燃烧产物的分析和控制，如颗粒物（PM）、氮氧化物（NOx）和未燃尽碳氢化合物（UHC）的产生机制，可以通过数值模拟得到深入的洞察，从而设计更有效的燃烧控制策略和后处理技术，减少对环境的影响。 然而，燃烧研究依然面临着诸多挑战。复杂燃料（如生物质、煤）的燃烧机理，多相燃烧（如液滴燃烧、颗粒燃烧）的模拟，以及高温高压下的极端燃烧现象，仍然是研究的难点。此外，如何更精确地捕捉湍流与化学反应的耦合作用，如何开发更高效、更通用的数值算法，以及如何将模拟结果与实验数据更紧密地结合，也是科学家们不断努力的方向。 总结而言，燃烧作为一种基础而又极其复杂的物理化学过程，其研究贯穿着从基本理论到先进数值模拟的整个科学探索过程。它不仅仅是关于火焰的火焰，更是关于能量、物质、反应和流动的精妙舞蹈。理解这支舞蹈的每一个舞步，是人类持续追求的科学目标，也是我们掌控和利用这股强大力量的关键所在。

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《Theoretical and Numerical Combustion》这本书中关于“多相流燃烧”的章节，为我打开了一个全新的认知领域。我之前理解的燃烧，更多是气相之间的反应，但这本书却让我看到了液滴、颗粒以及其他相态在燃烧过程中所扮演的重要角色。作者在讲解时，就如同一个经验丰富的多相流工程师，他首先介绍了各种多相流的描述方法，包括欧拉-欧拉方法、欧拉-拉格朗日方法等。我了解到，对于液滴或颗粒的燃烧，需要同时考虑它们在连续相（如空气）中的运动、传热传质以及内部的蒸发或分解过程。在液滴燃烧部分，作者详细阐述了液滴的表面蒸发模型，以及蒸发过程中形成的边界层对传热传质的影响。我还了解到，液滴的破碎和聚结也会对燃烧效率产生重要影响，而这些过程的模拟，需要非常复杂的物理模型和数值算法。在颗粒燃烧方面，作者也介绍了粉煤燃烧、生物质燃烧等实际应用，并讨论了颗粒的输运、着火、燃烧以及灰渣的形成等过程。我尤其对“燃烧器设计”与多相流燃烧的关系感到好奇，作者通过分析不同类型燃烧器（如喷雾燃烧器、流化床燃烧器）的特点，让我看到了如何将这些复杂的物理和化学原理应用于实际的工程设计中。这本书让我意识到，许多重要的工业燃烧过程都涉及多相流，而对这些过程的准确模拟，是实现高效清洁燃烧的关键。

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在《Theoretical and Numerical Combustion》这本书中，我第一次真正理解了“辐射传热”在高温燃烧过程中的重要性。在此之前，我可能更关注对流和传导，认为火焰产生的热量主要通过这两种方式传递。然而，作者通过详细的理论推导和数值分析，向我展示了在许多高温燃烧应用中，辐射传热才是主要的传热机制。他从黑体辐射的基本定律出发，逐步引入了灰体辐射、选择性辐射等概念，并解释了辐射率、吸收率和发射率等参数是如何影响热量传递的。我尤其对“辐射传输方程”（Radiative Transfer Equation, RTE）的介绍印象深刻，这是一个描述辐射能在介质中传播的方程，其求解的复杂性远超我想象。作者介绍了多种求解RTE的方法，比如离散坐标法（Discrete Ordinates Method, DOM）和蒙特卡洛法（Monte Carlo Method）。我虽然不能完全掌握这些方法的数学细节，但作者的解释让我能够理解，为何在模拟如锅炉、燃烧室或森林火灾等高温辐射问题时，必须引入如此复杂的计算方法。我也了解到，燃料的成分、燃烧产物的浓度（如CO2和H2O）以及烟尘颗粒的存在，都会显著影响辐射的强度和光谱特性。这本书让我明白，要想准确地预测燃烧过程中的温度场、热负荷以及能量效率，就必须将辐射传热的效应纳入模型计算之中，而这本身就是一项极具挑战性的任务。

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《Theoretical and Numerical Combustion》这本书，在化学动力学方面的内容，着实让我感受到了燃烧过程的复杂性。我一直以为燃烧就是燃料和氧化剂的简单反应，但这本书却向我展示了一个由无数个基元反应组成的庞大化学反应网络。作者在这里的角色，更像是一位精密的化学家，他不仅介绍了如何用反应速率方程来描述基元反应，还深入探讨了如何构建和简化复杂的化学反应机理。我了解到，对于一个实际的燃烧过程，其化学反应机理可能包含成百上千个反应和几十种甚至上百种化学物质，直接求解这些反应方程在计算上是极其困难的。因此，作者介绍了各种化学反应机理简化方法，比如重要性分析、敏感性分析以及拟稳态近似等。我尤其对“拟稳态近似”（Quasi-Steady State Approximation）的概念印象深刻，它允许我们在某些条件下忽略某些中间产物的积累，从而大大简化了计算。在讲解中，作者也给出了具体的例子，比如在氢气燃烧和甲烷燃烧的机理简化过程中，是如何一步步剔除非关键反应的。这种将化学反应的复杂性转化为可计算模型的过程，让我对科学家们如何处理如此海量的化学数据感到由衷的敬佩。我也了解到，精确的化学反应机理对于获得准确的燃烧模拟结果至关重要，任何一个不准确的简化都可能导致最终结果的偏差。这本书让我对化学动力学在燃烧科学中的核心地位有了深刻的认识，它不仅仅是简单的化学反应，而是构成整个燃烧过程的基石。

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在《Theoretical and Numerical Combustion》这本书中，我尤其对其中对“湍流”和“燃烧”之间相互作用的深入探讨感到着迷。在我的日常认知里，“湍流”似乎是一种混乱、无序的现象，而“燃烧”则是一种有目的、有规律的能量释放过程。然而，这本书却让我看到了它们之间错综复杂、甚至可以说是相互塑造的关系。作者以一种非常严谨的学术态度，首先详细阐述了湍流的各种特性，比如涡结构、能量级串以及湍流强度等概念。我从未想过，一个看似随机的湍流运动，竟然可以用如此多的物理量来精确描述。随后，他将这些湍流特性与燃烧过程紧密地联系起来。我了解到，湍流的强混合作用能够显著提高燃料和氧化剂的接触效率，从而加速化学反应的速率，这对于提高燃烧效率至关重要。但与此同时，湍流的强扰动也可能导致火焰的拉伸、破碎甚至熄灭，这在某些情况下会带来稳定性问题。书中对“湍流-化学反应相互作用”的讨论，让我看到了一个全新的研究领域。作者介绍了各种模型，例如渦尺度解析（LES）和雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法，以及它们在捕捉湍流效应和化学反应耦合方面的不同策略。我尤其对火焰卷模型（Flamelet models）和概率密度函数（PDF）方法印象深刻，这些方法试图在不直接解析所有湍流尺度的情况下，有效地模拟湍流燃烧。理解这些模型，需要对统计学和概率论有一定的基础，但作者通过生动地解释其物理意义，让我能够初步领会其中的精髓。这本书让我明白，要真正理解和控制燃烧过程，就必须深入理解湍流的作用，并找到有效的方法来模拟和预测这种复杂的相互作用。

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随着阅读的深入，《Theoretical and Numerical Combustion》这本书让我对“数值”这个词有了全新的解读。它不再仅仅是数学计算的代名词，而是变成了模拟真实世界燃烧现象的强大工具。作者在介绍数值方法的部分，仿佛一位技艺精湛的工程师，向我展示了如何将那些复杂的偏微分方程，也就是那些描述火焰流动和化学反应的数学语言，转化为计算机能够理解和处理的指令。一开始，我对于“离散化”这个概念感到有些困惑，究竟是将连续的火焰空间切割成一个个小单元，还是将时间轴上的变化捕捉为一系列离散的瞬间？作者通过大量的图示和详细的推导，一步步地揭开了这个过程的面纱。他不仅解释了有限差分法、有限体积法等基本方法的原理，还深入探讨了它们在处理燃烧模拟中的优缺点。我尤其对“网格生成”这一环节印象深刻，想象一下，要把一个熊熊燃烧的火焰，用无数个微小的立方体或多边形来近似，这本身就是一项了不起的挑战。书中对不同网格策略的介绍，比如自适应网格细化技术，让我惊叹于科学家们如何通过巧妙的算法来优化计算资源，将宝贵的计算能力集中在火焰的关键区域，从而获得更精确的结果。在求解方程组的部分，作者也详细介绍了各种迭代求解器，并分析了它们的收敛性和稳定性。我虽然无法完全理解每一个数学公式背后的推导细节，但作者的逻辑清晰，层层递进，让我能够把握住核心思想：如何通过一系列的数值技巧，将连续的、动态变化的燃烧过程，转化为一系列离散的、可计算的数据。这种将抽象数学转化为具体工程应用的思维方式，让我对计算机模拟在现代科学研究中的地位有了更深刻的理解。这本书让我明白了，理论研究的成果，需要借助强大的计算工具才能在实际中得到验证和应用，而数值方法，正是连接理论与实践的桥梁。

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《Theoretical and Numerical Combustion》这本书中的内容，不仅仅停留在理论的层面，它还非常注重将这些理论应用于实际的工程问题。我尤其欣赏作者在讲解过程中，经常会引用现实世界中的燃烧应用案例，这让我能够更好地理解这些抽象的科学原理是如何在实际生活中发挥作用的。从内燃机的工作原理，到航空发动机的火焰稳定，再到工业锅炉的燃料燃烧效率，书中都提供了相关的分析和讨论。我了解到，燃烧的温度分布、产物成分以及污染物排放，都与前面所介绍的流体力学、传热传质和化学反应动力学紧密相关。例如，在分析内燃机燃烧时，作者会讨论缸内湍流如何影响燃料的雾化和混合，以及喷射策略和点火时序如何影响燃烧的发生和传播。在谈到航空发动机时，作者则会深入探讨如何在高速气流和高压环境下保持火焰的稳定，以及如何通过优化燃烧室设计来降低氮氧化物（NOx）等有害物质的排放。这种将理论知识与具体工程应用相结合的方式，让我觉得这本书的价值不仅仅在于学术研究，更在于它能够为工程师提供解决实际问题的思路和方法。我也了解到，许多先进的燃烧技术，例如贫油预混燃烧（Lean Premixed Combustion）和稀燃分层燃烧（Staged Dilute Combustion），都是在对燃烧过程有深入理解的基础上发展起来的。这本书让我看到了科学研究的终极目标，那就是服务于人类的福祉，而燃烧技术，无疑是其中至关重要的一环。

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这本书，哦，《Theoretical and Numerical Combustion》，让我真切地感受到了学术的魅力，尽管我不是这个领域的专家，但这本书的编排和内容的深度，还是深深地吸引了我。它就像一本引人入胜的故事书，只不过故事的主角是火焰、热量和流体动力学，而我的角色，就是那个坐在书桌前，试图跟上这些复杂概念步伐的虔诚读者。开篇部分，作者以一种非常清晰且循序渐进的方式，为我勾勒出了燃烧科学的宏大图景。我从未想过，一个如此看似简单、我们日常生活中习以为常的现象，背后竟然隐藏着如此精妙的物理和化学原理。从能量守恒定律如何支配着燃烧过程，到质量守恒如何确保物质在转化中的不灭，再到动量守恒如何塑造着火焰的形态和流动，每一个基础概念的阐述都力求严谨，同时又不失逻辑的连贯性。作者并没有直接抛出晦涩的数学公式，而是先从概念的本质出发，用生动的比喻和类比来帮助我理解。例如，在讲解化学反应动力学时，作者巧妙地将反应速率比作一场比赛的参与人数和比赛的激烈程度，这让我立刻联想到了微观粒子之间的碰撞和能量传递，将抽象的速率常数转化为具象化的过程。更让我惊喜的是，书中对于传热和传质机制的探讨，不仅仅局限于简单的对流和扩散，而是深入到了辐射传热在高温环境下的重要性，以及混合物的扩散如何影响火焰的稳定性和化学反应的进行。这些内容，虽然对我来说是全新的领域，但作者的讲解方式，就像一位耐心十足的老师，一步一步地引导我，让我感觉自己并非在啃一本艰涩的教科书，而是在探索一个充满未知和惊喜的世界。尤其是在对化学反应平衡和动力学方程的介绍部分，作者并未止步于理论推导，而是通过对不同反应路径和中间产物的分析，展现了燃烧过程的复杂性，以及如何通过理解这些微观过程来预测宏观的燃烧行为。这种对细节的关注，以及将理论与可能的应用场景相结合的思路，让我对这本书的价值有了更深的认识，它不仅仅是一部理论著作，更像是一把钥匙，为我打开了理解复杂工程问题的大门。

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《Theoretical and Numerical Combustion》这本书，在我看来，不仅是一部关于燃烧理论和数值方法的学术著作，更是一扇通往科学前沿的窗户。作者在书中对“新进展和未来方向”的探讨，让我看到了这个领域持续的活力和巨大的潜力。他不仅仅满足于对现有理论和方法的梳理，还对当前研究中存在的挑战和未来的发展趋势进行了展望。我了解到，在清洁能源、碳捕获以及新型燃烧技术的开发方面，燃烧科学仍然扮演着核心角色。例如，在生物质能源的利用方面，如何高效地将生物质转化为有用的燃料，以及如何控制其燃烧过程以减少污染物排放，这些都是重要的研究课题。在碳捕获技术方面，如何设计高效的燃烧过程来减少二氧化碳的排放，或者如何在燃烧过程中同步实现碳的捕获，这些也都是前沿的研究方向。此外，作者还提到了人工智能和机器学习在燃烧模拟中的应用，比如利用神经网络来构建快速的化学反应模型，或者利用机器学习来优化湍流模型的参数。这些新兴技术，无疑将为燃烧科学的研究带来新的突破。这本书让我看到了，科学研究是一个永无止境的探索过程，即使是像燃烧这样看似熟悉的概念，仍然充满了未知和等待被发掘的宝藏。它激发了我对科学探索的热情，也让我对未来燃烧技术的发展充满了期待。

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读完《Theoretical and Numerical Combustion》这本书，我对于“燃烧模型”的复杂性和重要性有了更深的体会。我之前可能觉得，只要把化学反应写出来，就能模拟燃烧，但这本书却让我明白，燃烧模型的选择和构建，直接决定了模拟结果的准确性和适用性。作者在这里扮演着一位经验丰富的建模专家，他详细介绍了各种不同尺度的燃烧模型，从最基础的详细化学反应模型（Detailed Chemical Kinetics）到简化模型，再到更宏观的湍流-化学反应耦合模型，如涡尺度解析（LES）下的火焰折叠模型（Flame Folding Models）或火焰面模型（Flame Surface Models），以及雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）下的代数模型（Algebraic Models）和湍流-化学反应相互作用模型（Turbulence-Chemistry Interaction Models）。我了解到，详细化学反应模型虽然最精确，但计算成本极高，通常只适用于研究小尺度、低湍流强度的燃烧现象。而为了模拟大型工业燃烧设备，就需要采用各种简化模型来降低计算量，但同时也要尽量保证模拟结果的准确性。书中对不同模型的优缺点、适用范围以及模型误差的分析，让我对如何选择合适的模型有了初步的认识。我尤其对“燃烧模型的校准和验证”这一部分感到有启发，作者强调了将模拟结果与实验数据进行对比的重要性，以及如何通过调整模型参数来提高模拟的可靠性。这本书让我明白，建模不仅仅是数学的堆砌，更是一种艺术，需要深刻的物理理解和丰富的工程经验。

评分☆☆☆☆☆

在我阅读《Theoretical and Numerical Combustion》的过程中，我对“燃烧不稳定性”这一章节感到尤为震撼。在这之前，我可能只知道火焰会燃烧，但从未想过它本身也会存在“不稳定”的问题，甚至可能导致严重的后果。作者将这个概念阐述得非常透彻，他首先介绍了什么是燃烧不稳定性，比如声学不稳定性、压力振荡等现象，并解释了这些不稳定性是如何产生的。我了解到，当燃烧过程中产生的热释放率与声波反馈机制产生共振时，就会引发强烈的压力波动，这种波动不仅会影响燃烧效率，严重时甚至可能损坏设备。书中对这些不稳定性的分类和机理分析，让我对火焰的动态行为有了全新的认识。作者还讨论了如何通过数值模拟来预测和分析这些不稳定性。例如，他介绍了一些专门用于模拟压力振荡和火焰振动的数值方法，这些方法能够捕捉到火焰和流场之间的耦合作用，从而帮助工程师理解不稳定的根源。在解决方案方面，书中也介绍了一些抑制燃烧不稳定的技术，比如改变燃料喷射方式、调整燃烧室几何形状或者引入阻尼器等。我尤其对通过改变燃烧室的结构来控制火焰行为的讨论很感兴趣，这让我看到，即使是看似微观的结构设计，也能对宏观的燃烧稳定性产生如此大的影响。这本书让我明白，要实现稳定高效的燃烧，仅仅理解燃烧的化学和物理过程是远远不够的，还需要深入研究其动态特性，并具备预测和控制不稳定性的能力。

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关于缓燃波火焰通盘的介绍，一直在告诉读者代码的理论基础是什么，如何设计代码，如何检验代码的正确。

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