Modelling and Simulation in Thermal and Chemical Engineering pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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作者:Thoma, Jean Ulrich/ Ould-Bouamama, B.

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页数:235

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价格:129

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isbn号码:9783540663881

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• Modeling
• Simulation
• Thermal Engineering
• Chemical Engineering
• Heat Transfer
• Fluid Mechanics
• Reaction Engineering
• Process Simulation
• Computational Chemistry
• Engineering Thermodynamics

现代工程中的多尺度热力学与流体力学：理论、方法与前沿应用 本书旨在深入探讨现代工程领域中热力学与流体力学交叉学科的前沿进展，重点关注多尺度分析框架的构建、先进数值模拟技术及其在复杂工程系统中的实际应用。本书不仅系统梳理了经典的热力学与流体力学基本原理，更着眼于当前工程挑战，如能源转化效率提升、新型功能材料设计、微纳尺度效应控制等，详细阐述了从分子层面到宏观系统层面的耦合建模方法。 第一部分：基础理论的深化与拓展 本部分首先回顾了经典热力学（包括统计力学基础）与连续介质力学（Navier-Stokes方程组的精确表述与推广）的核心概念，并在此基础上，引入了理解复杂系统行为所必需的现代视角。 1.1 非平衡态热力学与信息论视角 重点讨论了远离热力学平衡态时系统的行为特征。内容涵盖了熵产生原理的非平衡态推广（如Prigogine的最小熵产生原理及其局限性），以及在开放系统中，信息熵（Shannon熵与Renyi熵）如何与热力学熵相互关联，特别是用于描述混合物、相变过程中的微观不确定性。深入分析了动力学过程中的能量耗散机制，为高效能源系统的设计提供了理论支撑。 1.2 分子动力学与介观输运理论 详细阐述了分子动力学（MD）模拟在确定材料本征输运性质（如热导率、扩散系数）中的应用。讨论了不同力场（如嵌入式原子势、机器学习势）的构建与适用范围，特别是如何处理涉及电子激发或化学反应的复杂体系。引入了介观尺度下的输运方程，如玻尔兹曼输运方程（BTE）及其格子玻尔兹曼方法（LBM）的求解策略，用以桥接分子层面的行为与宏观连续介质描述之间的差距。重点分析了 Knudsen 数对流体力学和热传递模式的影响。 1.3 湍流模型的演进与不确定性量化 在流体力学部分，本书超越了标准的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型，深入探讨了更精确的湍流模拟方法。详细介绍了大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）在解析湍流脉动和涡结构中的优势与计算成本。对于需要工程近似的场景，探讨了新的混合尺度的湍流模型，如尺度自适应模型（SAS）和非线性RANS模型。鉴于工程决策对可靠性的要求，本章专门辟出章节讨论了模型参数的不确定性量化（UQ），包括基于概率密度函数的模型校准与敏感性分析。 第二部分：多尺度耦合建模方法论 本部分是本书的核心，聚焦于如何有效地将不同尺度的物理规律整合到一个统一的计算框架中，以准确描述多物理场耦合问题。 2.1 粗粒化（Coarse-Graining）技术 阐述了将微观或介观信息传递到宏观连续介质模型中的关键技术。详细介绍了多尺度建模（MSM）的层级耦合方法，如基于投影的粗粒化、密度泛函理论（DFT）与MD的耦合，以及如何从量子力学计算中提取热力学数据并将其作为宏观模型的输入边界条件。讨论了不同尺度的时空尺度差异带来的挑战，以及时间积分方案的适配性。 2.2 界面与边界条件的精确处理 复杂工程系统往往表现为多孔介质、多相流或固-液-气界面问题。本章详细研究了界面现象的热力学处理，特别是Gibbs界面热力学在描述弯月面、毛细管力和表面张力梯度驱动流动中的应用。对于固-流耦合问题，探讨了浸入式边界法（IBM）和动网格技术（如ALE法）在处理剧烈变形边界时的优劣势。 2.3 燃烧与化学反应动力学 在涉及热化学的工程应用中，反应速率的准确性至关重要。本书涵盖了从第一性原理计算化学到经验性的反应速率常数（如Arrhenius关系）的构建。重点分析了层流火焰传播、湍流燃烧（如火焰面模型与PDF方法）的数值求解，以及在微重力或高压环境下化学反应网络的复杂性。 第三部分：前沿工程系统中的集成应用 本部分将前述理论和方法应用于当前工程研究的前沿领域，展示多尺度热力学与流体模拟的强大能力。 3.1 先进能源转化装置的模拟 固态氧化物燃料电池（SOFC）: 模拟电化学反应、离子/电子传输与气体扩散在多孔电极结构中的耦合作用。重点关注电极结构孔隙率分布对电池性能的影响，以及温度梯度引起的欧姆极化和浓差极化。 超临界流体传热: 探讨超临界二氧化碳（sCO2）在超临界发电循环中的换热特性，特别是流体物性在临界点附近的剧烈变化如何影响换热器设计，以及如何利用高精度状态方程（EoS）进行准确建模。 3.2 微流控与生物热流体 研究在微米尺度下，流体力学和热传递规律与宏观尺度的显著差异。详细讨论了低雷诺数下的流体动力学（例如，粒子在微通道中的迁移）、电动力学（如电渗流）以及表面效应（如润湿性、范德华力）对流体输运的影响。在生物医学应用中，模拟细胞内物质传输和热效应控制。 3.3 材料加工与增材制造的热应力分析 针对激光熔化沉积（LPD）或选择性激光熔化（SLM）等增材制造过程，本书建立了从激光-粉末相互作用（微米尺度）到整体成型件残余应力分析（宏观尺度）的多尺度热-冶金-力学耦合模型。分析了快速冷却速率导致的微结构演变（如枝晶生长）与最终部件的热机械性能之间的内在联系。 总结与展望 本书最后总结了当前计算热力学与流体力学面临的挑战，包括高保真模型的计算效率瓶颈、跨尺度数据融合的可靠性，以及对量子效应在宏观工程问题中影响的深入理解。展望了机器学习和深度学习技术在加速物性预测和替代复杂模拟模型（Surrogate Models）方面的潜力，强调了未来工程模拟将朝着更加自适应、高保真和不确定性量化的方向发展。

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《Modelling and Simulation in Thermal and Chemical Engineering》这本书，其价值绝不仅仅局限于理论知识的传授，更在于它所激发的创新思维和解决实际问题的能力。书中在探讨制冷与空调系统模拟时，超越了简单的焓湿图分析，深入到了制冷剂的相变动力学、换热器的效率评估以及系统整体的能效分析。通过一个大型中央空调系统的全年能耗模拟案例，我得以了解，如何综合考虑负荷变化、季节性因素以及设备运行参数，来优化控制策略，实现能源的最大化节约。这种对系统整体性能进行全面评估的能力，正是现代工程设计所必需的。

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《Modelling and Simulation in Thermal and Chemical Engineering》这本书，就像一把开启工程奥秘的钥匙，让我得以窥见那些隐藏在复杂系统背后的运行规律。我尤其对书中关于高分子材料加工过程的模拟章节印象深刻。在挤出成型、注塑成型等过程中，高分子材料的流变学行为、热历史以及结晶动力学都对其最终的力学性能产生至关重要的影响。书中通过对一系列实际加工过程的模拟，详细演示了如何建立考虑了非牛顿流体行为、热传导和相变的耦合模型，从而预测熔体的流动形态、温度分布以及最终产品的内应力和形变。这让我认识到，即使是看似简单的加工过程，其背后的物理化学原理也极其复杂，而建模与仿真则是理解和控制这些复杂性的强大工具。

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《Modelling and Simulation in Thermal and Chemical Engineering》这本书，是一份馈赠给所有致力于理解和改进热工与化工过程的工程师们的宝贵礼物。在涉及多相流动的模拟时，书中对欧拉-欧拉模型、欧拉-拉格朗日模型以及耦合模型的详细阐述，让我对颗粒、液滴和气泡在流体中的运动行为有了更深入的理解。一个关于催化反应器中催化剂颗粒床的模拟案例，让我看到，流体动力学如何影响颗粒的分布，从而影响催化剂的有效利用率，进而影响整个反应器的产率。这种对微观粒子行为与宏观过程耦合关系的精准描述，是解决许多工程难题的关键。

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阅读《Modelling and Simulation in Thermal and Chemical Engineering》的过程，是一次令人惊喜的智力探索之旅。书中对于化学反应工程的建模部分，尤其让我印象深刻。作者没有停留在基础的反应动力学方程，而是深入探讨了多相反应、催化反应以及反应器内部的传质传热耦合效应。通过对一系列工业化生产过程，例如氨合成、乙烯裂解等案例的深入剖析，我得以理解如何将微观的分子反应机理与宏观的反应器设计相结合，从而实现生产过程的优化和放大。书中引入的计算流体动力学（CFD）与化学反应动力学的耦合模拟，更是让我大开眼界，它揭示了流体动力学行为如何深刻影响反应速率和产物分布，而这在传统的教科书中往往被简化处理。这种对复杂工程问题的系统性分析，让我对“工程”二字有了更深层次的理解，不再是孤立的单元操作，而是高度耦合、相互关联的复杂系统。

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阅读《Modelling and Simulation in Thermal and Chemical Engineering》的过程，仿佛踏上了一段探索工程智慧的旅程。书中对于燃烧过程的模拟部分，为我打开了新的视野。作者没有简单地介绍燃烧的化学方程式，而是深入探讨了火焰传播、湍流混合以及辐射传热等复杂耦合现象。通过对一个锅炉燃烧室的CFD模拟案例，我得以理解，为何仅仅依靠经验设计往往会带来效率低下和排放超标的问题，而通过精密的模拟，我们可以精确地预测燃烧区域、火焰形状以及产物分布，从而优化燃料的喷射方式、空气的引入量，以及燃烧室的几何结构，最终实现高效、清洁的燃烧。

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《Modelling and Simulation in Thermal and Chemical Engineering》这本书，宛如一位循循善诱的导师，引导我一步步走进热工和化工模拟的迷人世界。我特别喜欢书中关于过程模拟的章节。它不仅仅是介绍Aspen Plus或HYSYS这样的商业软件的操作指南，而是更侧重于背后所依赖的热力学模型、相平衡计算以及单元操作的数学描述。作者通过一个大型炼油厂的流程模拟案例，详细演示了如何构建一个完整的流程模型，如何进行物料衡算和能量衡算，以及如何利用模拟结果来评估不同操作条件对产品收率和能耗的影响。这种对模拟软件“背后的原理”的深入挖掘，让我不再满足于仅仅“会操作”，而是能够“理解原理”，从而在面对更复杂、更具挑战性的工程问题时，能够做出更明智的决策。

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《Modelling and Simulation in Thermal and Chemical Engineering》这本书，以其严谨的学术态度和生动的工程实践相结合的独特风格，为我提供了一次非凡的学习体验。在接触到粉体输送和处理的模拟部分时，我才真正领略到这项看似简单的操作背后蕴含的复杂性。书中详细介绍了离散元法（DEM）在模拟粉体流动、堆积以及与设备相互作用方面的应用，并通过一个气力输送系统的案例，展示了如何通过调整风速、管道几何形状以及粉体特性，来优化输送效率、减少磨损并避免堵塞。这种能够“预见”和“控制”粉体行为的能力，对于化工、制药、食品等众多行业都至关重要。

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初识《Modelling and Simulation in Thermal and Chemical Engineering》，我本以为这是一本枯燥乏味的学术工具书，充斥着冰冷的公式和难以理解的抽象概念。然而，当我翻开第一页，便被书中深入浅出的讲解方式所吸引。作者并非只是简单地罗列模型和算法，而是巧妙地将它们置于生动的工程案例之中，让那些原本遥不可及的理论变得触手可及。例如，在关于传热模拟的章节，书中不仅仅介绍了有限元方法或有限差分法，更通过一个实际的工业炉设计案例，详细剖析了如何利用这些方法来预测温度分布、评估隔热材料的有效性，以及优化加热过程，从而显著降低能耗和生产成本。这种“理论与实践相结合”的叙述方式，极大地激发了我学习的兴趣。我尤其欣赏书中对不同模拟方法的优劣势以及适用范围的清晰阐述，这让我能够根据具体问题，选择最合适的工具，而不是盲目套用。

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《Modelling and Simulation in Thermal and Chemical Engineering》这本书，给我带来的不仅仅是知识的增长，更是一种解决工程问题思维方式的革新。在处理传质过程的模拟时，书中对各种传质模型的细致讲解，以及它们在不同介质（气液、液液、固液）中的应用，让我受益匪浅。一个关于溶剂萃取的案例分析，详细展示了如何利用模拟来优化萃取塔的设计，包括塔盘数、回流比等关键参数的选取，从而最大化目标产物的回收率并最小化溶剂的消耗。这种对细节的关注，以及对不同模拟方法在实际工程中效果的量化分析，让我深刻体会到，精确的建模与仿真，是进行高效工程设计和优化的基石。

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坦白说，《Modelling and Simulation in Thermal and Chemical Engineering》这本书的深度和广度，远远超出了我最初的预期。我原以为它会聚焦于某一特定领域的模拟技术，但事实是，它几乎涵盖了热工和化工领域中最具代表性的建模与模拟方法。例如，在关于过程控制的章节，作者不仅仅介绍了PID控制器等经典方法，更是深入探讨了模型预测控制（MPC）在复杂动态系统中的应用。通过对一个连续反应器温度控制系统的详细仿真分析，我看到了MPC如何能够通过预测系统未来的行为，提前做出最优的控制决策，从而实现更精确、更稳定的过程控制。这种前瞻性的模拟视角，让我认识到，建模与仿真的最终目的，是为了更好地理解和驾驭复杂的工程系统。

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