非平衡气体动力学与分子模拟

本书是非平衡气体动力学的基础书籍，集理论和应用指导于一体。全书由两个部分组成：第一部分为前四章，主要介绍非平衡过程所需的基础知识，包括动理学理论、量子力学基础、统计力学基础和有限速率过程；第二部分为后三章，主要描述分析非平衡气体现象的数值模拟方法，包括分子动力学与连续介质气体动力学之间的关系、直接模拟蒙特卡罗和非平衡热化学模型。

丛书序
系列序
原著中文版序
原著中文版致谢
第一部分 理论
第1章 动理学理论 3
1.1 引言/3
1.2 基础概念/4
1.2.1 粒子模型/4
1.2.2 从分子行为到宏观量/5
1.2.3 分子碰撞/10
1.2.4 分子输运过程/12
1.3 动理学理论分析/18
1.3.1 速度分布函数/18
1.3.2 玻尔兹曼方程/19
1.3.3 玻尔兹曼H定理/23
1.3.4 麦克斯韦VDF/26
1.3.5 平衡碰撞属性/31
1.3.6 朝向壁面的自由分子流/34
1.3.7 基于动理学的非平衡流动分析/41
1.3.8 自由分子流分析/44
1.4 小结/47
1.5 习题/47
第2章 量子力学 50
2.1 引言/50
2.2 量子力学/50
2.2.1 海森堡不确定性原理/51
2.2.2 薛定谔方程/53
2.2.3 薛定谔方程的解/56
2.2.4 二粒子系统/58
2.2.5 转动和振动能/60
2.2.6 电子能级/63
2.3 原子结构/64
2.3.1 电子分类/64
2.3.2 角动量/65
2.3.3 光学项分类/66
2.3.4 激发态/68
2.4 双原子分子结构/69
2.4.1 玻恩 奥本海默近似/69
2.4.2 转动和振动能/72
2.4.3 激发态/74
2.5 小结/77
2.6 习题/77
第3章 统计力学 79
3.1 引言/79
3.2 分子统计方法/79
3.3 能态分布/84
3.3.1 玻尔兹曼极限/86
3.3.2 玻尔兹曼能量分布/88
3.4 与热力学的关系/90
3.4.1 玻尔兹曼关系/91
3.4.2 宏观热力学量/92
3.5 配分函数/94
3.5.1 平动能/94
3.5.2 内部结构/98
3.5.3 单原子气体/99
3.5.4 双原子气体/102
3.6 离解 复合系统/106
3.7 小结/109
3.8 习题/109
第4章 有限速率过程 113
4.1 引言/113
4.2 平衡过程/114
4.2.1 振动能/114
4.2.2 化学平衡/115
4.2.3 平衡常数/118
4.2.4 平衡组分/119
4.3 振动弛豫/120
4.4 有限速率化学反应/123
4.4.1 速率系数/127
4.4.2 内能的影响/129
4.4.3 离解速率的计算/132
4.4.4 有限速率弛豫/134
4.5 小结/137
4.6 习题/137
第二部分 数值模拟
第5章 分子气体动力学与连续介质气体动力学之间的关系 143
5.1 引言/143
5.2 守恒方程组/144
5.3 Chapman Enskog分析和输运特性/149
5.3.1 BGK方程分析/149
5.3.2 玻尔兹曼方程分析/156
5.3.3 混合气体分析/159
5.3.4 多原子混合气体的一般输运属性/162
5.4 碰撞截面和输运属性计算/166
5.4.1 碰撞截面/167
5.4.2 硬球相互作用/169
5.4.3 逆幂律相互作用/170
5.4.4 一般原子间作用势/172
5.5 小结/175
第6章 直接模拟蒙特卡罗 177
6.1 引言/177
6.2 DSMC基本原理/181
6.2.1 基本原则/181
6.2.2 粒子运动与排序/186
6.2.3 碰撞速率/189
6.2.4 网格单元和粒子属性/194
6.3 黏性、扩散和热传导模型/195
6.3.1 可变硬球模型/195
6.3.2 可变软球模型/205
6.3.3 广义硬球、软球和LJ模型/208
6.3.4 热传导系数/213
6.3.5 模型参数化/214
6.4 DSMC内能传递建模/215
6.4.1 连续介质与分子模型/215
6.4.2 碰撞后能量再分配/216
6.4.3 非弹性碰撞对选择过程/224
6.4.4 广义碰撞后能量再分配/232
6.5 小结/237
第7章 非平衡热化学模型 238
7.1 引言/238
7.2 转动能交换模型/238
7.2.1 恒定碰撞数/239
7.2.2 Parker模型/239
7.2.3 Boyd的变概率交换模型/240
7.2.4 非平衡方向依赖模型/241
7.2.5 模型结果/242
7.3 振动能交换模型/244
7.3.1 恒定碰撞数/244
7.3.2 Millikan White模型/245
7.3.3 振动的量子化处理/248
7.3.4 模型结果/250
7.4 离解化学反应/251
7.4.1 总碰撞能(TCE)模型/251
7.4.2 离解反应后能量的再分配/257
7.4.3 振动促进离解模型/259
7.5 一般化学反应/261
7.5.1 反应速率与平衡常数/261
7.5.2 DSMC中的逆向反应速率/265
7.5.3 三体复合反应/269
7.5.4 反应后能量再分配及其一般实现/271
7.5.5 反应流动的 DSMC 解/274
7.6 小结/284
附录A 生成粒子特性/286
附录B 碰撞参量/297
附录C 确定碰撞后速度/303
附录D 宏观特性/312
附录E 通用积分/320
参考文献/323