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出版者:华中科技

作者:张师帅 编

出品人:

页数:452

译者:

出版时间:2011-1

价格:44.00元

装帧:

isbn号码:9787560967424

丛书系列:

图书标签:

• 计算力学5
• 流体
• 模拟
• 计算流体动力学
• CFD
• 流体力学
• 数值分析
• 工程应用
• 传热
• 多相流
• 湍流
• 有限体积法
• 计算方法
• 流体模拟

图书简介：现代热力学与统计物理：从微观到宏观的桥梁 作者： [此处可虚构一位资深物理学家姓名，例如：陈伟 教授] 出版日期： [虚构出版年份，例如：2024年10月] 出版社： [虚构权威学术出版社，例如：清华大学出版社 或 科学出版社] --- 内容提要 本书旨在为高等院校物理学、化学、材料科学及工程类专业的高年级本科生和研究生提供一套深入且全面的现代热力学与统计物理学教材。不同于传统教材的简单罗列公式，本书的核心目标是构建起微观粒子行为与宏观物质性质之间严谨、直观且普适的理论桥梁。 全书以玻尔兹曼的熵概念为逻辑起点，逐步引入概率论在处理大量粒子系统中的关键作用，从而自然而然地过渡到统计力学的基本假设。我们摒弃了过于繁琐的数学推导，而将重点放在概念的清晰阐释、物理图像的构建以及实际应用案例的分析上。 第一部分：热力学基础与过程分析（The Thermodynamic Framework） 本部分是对经典热力学进行一次深入而现代的回顾与重构。我们首先详述热力学第零定律（温度的引入）和第一定律（能量守恒在宏观系统中的体现）。重点分析了理想气体、范德华气体等重要状态方程的物理意义，并详细讨论了功、热量、内能等状态函数的区别与联系。 随后，我们引入热力学第二定律，着重阐述克劳修斯、开尔文表述的等价性，以及熵增原理在自然界过程方向判断中的绝对地位。通过卡诺循环的严格分析，构建了热力学温标的绝对性。 第三章集中于热力学第三定律——绝对零度的不可达性及其在低温物理学中的重要性。最后，本部分通过麦克斯韦关系式的推导，展示了热力学势（内能 $U$、亥姆霍兹自由能 $F$、吉布斯自由能 $G$、焓 $H$）如何成为解决化学平衡、相变和材料稳定性问题的核心工具。我们详细分析了相图的解释，包括一级相变和二级相变的吉布斯能量行为。 第二部分：统计力学的基石与系综理论（Foundations of Statistical Mechanics） 本部分是全书的理论核心，将视角从宏观转向微观。我们首先探讨了经典统计力学的基本假设，特别是等概率假设（Postulate of Equal a priori Probability）。 核心章节聚焦于统计系综理论： 1. 微正则系综 (Microcanonical Ensemble)：这是理解孤立系统能量涨落的起点。我们详细阐述了如何通过计算系统微观状态数 $Omega(E, V, N)$ 来导出系统的熵 $S = k_B ln Omega$，并展示了如何利用此系综重新推导经典热力学基本方程。 2. 正则系综 (Canonical Ensemble)：针对与恒温热库接触的系统，我们引入配分函数 $Z$ 作为核心量。详细讨论了配分函数如何成为连接微观结构和宏观可观测量的“万能钥匙”。通过对 $Z$ 的数学处理，推导了系统的平均能量、压力和熵的表达式。 3. 巨正则系综 (Grand Canonical Ensemble)：用于描述与恒温恒化学势环境接触的系统，重点分析了粒子数涨落的物理意义，这在处理化学反应和稀薄气体动力学中至关重要。 本部分还包含了对涨落现象的深入探讨，展示了统计物理如何从宏观平均值中揭示微观世界的不确定性与波动性。 第三部分：量子统计的引入与应用（Quantum Statistics and Applications） 随着量子力学的发展，经典统计对电子、光子等费米子和玻色子已不再适用。本部分将统计物理理论提升至量子层面。 1. 量子统计的必要性与费米-狄拉克分布：详细介绍了不可分辨性原理、泡利不相容原理，并导出费米-狄拉克分布函数。重点分析了简并半导体、白矮星的电子简并压力等前沿应用。 2. 玻色-爱因斯坦分布：推导玻色-爱因斯坦分布函数，并着重讨论了玻色-爱因斯坦凝聚 (BEC) 现象的理论基础、临界温度的计算及其在冷原子物理中的实验观测。 3. 光子与声子的统计：将量子统计应用于电磁辐射（黑体辐射，普朗克定律的推导）和晶格振动（德拜模型与爱因斯坦模型，比热容的微观解释）。 第四部分：高级主题与前沿课题（Advanced Topics） 为满足研究生的需求，本部分引入了当前物理学研究中的热点和高级方法： 1. 相变与临界现象：引入平均场理论（如朗道理论）和重整化群理论（定性介绍其核心思想），用于解释临界指数的普适性。 2. 非平衡态统计物理导论：简要介绍朗之万方程、福克-普朗克方程，以及涨落-耗散定理，为理解复杂系统的时空演化奠定基础。 3. 熵在信息论中的角色：探讨香农信息熵与热力学熵之间的深刻联系，揭示信息、能量与物理实在之间的统一视角。 本书特色 概念驱动：每一个数学工具的引入都紧密服务于解决一个明确的物理问题，而非孤立的数学练习。 物理图像清晰：大量使用类比、图示和具体实例（如二维气体、刚性转子、谐振子等）来固化抽象概念。 面向应用：每章末尾均设有“应用与挑战”板块，涉及半导体物理、凝聚态物理、化学反应速率、乃至黑洞热力学等跨学科领域。 习题设计精良：习题从基础巩固到复杂建模不等，旨在训练读者独立解决问题的能力。 通过对本书的学习，读者将不仅掌握热力学与统计物理的定量分析工具，更重要的是，能够建立起对物质宏观性质源于微观相互作用的深刻直觉和严谨的理论洞察力。本书力求成为物理学家、材料科学家和工程师在探索物质世界深层规律时，手中不可或缺的理论指南。

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这本书的另一个亮点在于其对“网格划分”这一关键步骤的细致讲解。在CFD计算流程中，网格划分的好坏直接影响到计算的精度和效率。作者在书中花了相当的篇幅来介绍不同类型的网格（结构化网格、非结构化网格）、不同生成技术（例如，边界层网格、自适应网格），以及如何根据具体的几何形状和流动特征来选择合适的网格策略。我印象最深刻的是，书中通过一个实际的汽车外形模拟案例，详细展示了如何一步步进行网格划分，以及不同网格密度对计算结果的影响。这让我认识到，网格划分并非简单的“画线”，而是充满学问的工程艺术。

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这本书的书名，一开始就吸引了我。《计算流体动力学及其应用》，听起来既有前沿的科技感，又充满了实际的应用价值。在阅读过程中，我发现作者对“计算流体动力学”这个概念的阐述，非常具有前瞻性。他不仅介绍了CFD在传统工程领域的应用，还着重探讨了CFD在新兴领域的潜力，例如新能源（风力发电机叶片设计）、医疗健康（血液流动模拟）以及环境保护（污染物扩散模拟）等。我尤其对书中关于CFD在“智慧城市”建设中的应用分析感到兴奋，书中描绘了如何利用CFD来模拟城市风场、热环境，从而优化城市规划和建筑设计，提升居民的生活品质。

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《计算流体动力学及其应用》在理论深度和实践广度上取得了很好的平衡。很多理论书籍往往过于侧重数学推导，而忽略了实际应用中的问题，导致学到的知识难以落地。而这本书则恰恰弥补了这一不足。它在讲解完一定的理论知识后，会立刻结合实际的应用案例，让我们看到理论是如何转化为实际解决方案的。例如，在讲解湍流模型时，作者并没有仅仅停留在RANS、LES、DNS等术语的介绍上，而是详细讨论了不同模型在模拟飞机起降时的气动效应、或者在模拟河流泥沙输运时的适用性。这种“理论与实践相结合”的编写思路，让整本书读起来既有学术深度，又不失趣味性。

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这本书的书名是《计算流体动力学及其应用》，虽然我还没完全读完，但这本书已经给我留下了极其深刻的印象。首先，它在“计算流体动力学”（CFD）这个概念的引入上，做得非常出色。作者没有直接一头扎进复杂的数学公式和算法，而是从流体力学的基本原理出发，循序渐进地解释了为什么我们需要CFD，以及CFD是如何在现代科学和工程领域扮演着越来越重要的角色的。我尤其欣赏作者在第一部分对“流体”这一概念的定义和分类，从牛顿流体到非牛顿流体，从粘性流体到不可压缩流体，这些基础知识的梳理非常清晰，为后续内容的理解打下了坚实的基础。书中穿插的几个小型案例研究，比如简单管道流动的可视化，更是让我这个初学者能够直观地感受到CFD的魅力。

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总而言之，《计算流体动力学及其应用》是一本内容翔实、结构清晰、理论与实践并重的优秀教材。它不仅为我打开了计算流体动力学这扇神秘的大门，更让我看到了CFD在解决现实世界问题中的巨大潜力。这本书涵盖了从基础理论到高级应用，从数值方法到软件操作，几乎是一个全面的入门指南。我强烈推荐给所有对CFD感兴趣的读者，无论是初学者还是有一定基础的研究者，都能从中获益匪浅。这本书让我对未来的学习和研究充满了信心和期待。

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我必须承认，《计算流体动力学及其应用》这本书在数学上的严谨性，让我觉得既有挑战性，又有成就感。作者在介绍CFD的数学基础时，并没有回避复杂的偏微分方程，如纳维-斯托克斯方程，但他巧妙地将这些方程的推导过程，分解成易于理解的步骤，并且每一步都配有详细的解释和图示。我尤其喜欢作者在讲解守恒律时，采用的“控制体”思想，这让我一下子就理解了为什么CFD的离散方程能够反映流体的物理行为。虽然有时候需要反复阅读才能完全理解其中的数学细节，但这种深入的数学分析，让我对CFD的本质有了更深刻的认识。

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就我个人而言，阅读《计算流体动力学及其应用》的最大收获之一，就是对CFD结果的“解读”能力的提升。很多时候，CFD计算的结果往往是一堆数据和图形，如何从中提取有用的信息，如何判断结果的可靠性，是困扰许多初学者的难题。这本书在这方面提供了非常实用的指导。作者在讲解每个应用案例时，都会详细地分析CFD结果的物理意义，比如压力分布、速度场、温度梯度等，并教会我们如何通过对比不同参数下的计算结果，来找出最优解。此外，书中还强调了CFD结果与实验数据的对比验证的重要性，这对于培养严谨的科学态度至关重要。

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坦白说，我在阅读这本书之前，对CFD的理解非常有限，甚至有些畏惧。但《计算流体动力学及其应用》这本书以一种非常平易近人的方式，逐渐消除了我的这种顾虑。作者在介绍复杂的数值方法时，并没有直接罗列一大堆公式，而是通过生动的比喻和图示，来解释算法的原理。比如，在讲解有限差分法时，作者将差分近似比作用梯子的台阶来模拟连续的坡道，这个比喻一下子就让我明白了离散化的核心思想。对于像有限体积法、有限元法这样更高级的方法，作者也同样采用了类似的策略，先从概念入手，再逐步深入到数学表达。这种“先易后难，循序渐进”的教学方法，对于我这样的非专业读者来说，简直是福音。

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这本书在“应用”这一块的处理，可以说是让我眼前一亮。很多CFD的书籍往往会陷入纯理论的海洋，让人望而却步，但《计算流体动力学及其应用》却恰恰相反。它花费了相当大的篇幅来介绍CFD在各个领域的实际应用，从航空航天到汽车工程，从环境科学到生物医学，无所不包。我尤其对书中关于飞机翼型设计的案例分析印象深刻，作者详细讲解了如何利用CFD软件来优化翼型，从而提高升力、减小阻力，这对于理解CFD在工程设计中的价值至关重要。此外，书中对建筑通风和城市气流模拟的介绍，也让我对CFD在环境保护和城市规划方面的潜力有了更深的认识。

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本书在对CFD软件的介绍方面，做得相当到位。作者没有局限于某一款特定的商业软件，而是对几种主流的CFD软件进行了横向的比较，并分析了它们各自的优缺点以及适用范围。在书中，我看到了对Ansys Fluent, OpenFOAM, COMSOL Multiphysics等软件的初步介绍，包括它们的界面特点、功能模块以及在不同应用场景下的选择建议。这对于我这样一个正在考虑进入CFD领域，或者想要选择一款适合自己研究方向的软件的读者来说，提供了非常宝贵的参考信息。书中还附带了一些简单的操作示例，虽然不是详尽的教程，但足以让我对这些软件有一个初步的认识。

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