基于連續介質假設的氣體動力學在航空航天等領域得到了廣泛應用。然而，隨著現代技術的飛速發展，越來越多的氣體動力學現象超出了這一理論的適用范圍。例如，在超低地球軌道衛星的在軌飛行、航天器再入、臨近空間高超聲速飛行 及微納器件 等問題所涉及的氣體流動中，稀薄效應和非平衡效應變得尤為顯著。在這些氣體流動中，必須采用基于分子動理論(kinetic theory)的知識進行分析和計算，這一領域通常稱為稀薄氣體動力學。

▲ 空天飛行氣動問題的分子模擬示意圖

北航張俊、楊浩、馬啟涵新著《分子氣體動力學》旨在介紹并探討稀薄氣體動力學的基礎理論，重點闡述基于分子描述的計算方法。特別是，書中詳盡介紹了本領域近年來發展的多尺度粒子方法和低噪聲粒子方法，并展示了這些方法的實際應用。本書取名為《分子氣體動力學》，旨在強調，本書涉及的理論、方法不僅適用于通常認為的稀薄氣體流動領域，也同樣適用于連續流動領域。

分子氣體動力學

張俊，楊浩，馬 啟涵著

北京 : 科學出版社 , 2025. 6

ISBN 978-7-03-080808-0

本書共 11 章。

• 第 1 章介紹了分子氣體動力學的工程需求、發展歷程及其科學內涵。

• 第 2 章介紹了分子動理論的基本概念。

• 第 3 章深入分析了分子動理論的核心 —— 玻爾茲曼 (Boltzmann) 方程，為理解分子氣體行為提供了關鍵的理論框架。

• 第 4 章詳細介紹了當 前分子 氣體動力學領域中應用最廣泛的粒子模擬方法 —— 直接模擬蒙特卡洛 (DSMC) 方法。書中不僅提供了該方法的基本算法，還包含了具體的代碼示例及其典型應用案例，幫助讀者從理論走向實踐。

• 第 5 章和第 6 章分別聚焦于分子氣體動力學中的兩個典型流動場景：自由分子流和滑移流。這兩章結合實際案例，討論了自由分子流在超低地球軌道衛星氣動特性分析中的應用，以及滑移邊界條件的推導。

• 第 7 章和第 8 章介紹了多原子分子的內能模型和化學反應模型，以及它們在 DSMC 方法中的具體實現。

• 第 9 章和第 10 章聚焦于本領域在計算方法方面的最新研究進展：多尺度粒子方法和低噪聲粒子方法。這兩種創新性方法克服了傳統粒子方法中的兩個關鍵瓶頸 —— 時空步長限制和統計漲落問題，從而顯著提升了粒子方法的計算效率，拓展了應用場景。

• 第 11 章探討了由分子熱運動引發的熱漲落效應，進一步介紹了熱漲落與流體宏觀性質的聯系，以及其對湍流輸運性質的影響。

本書從分子水平出發，借助于分子動理論和統計力學搭建了一個涵蓋稀薄和連續流動領域的理論框架，融入了作者在稀薄氣體動力學領域近 20 年的科研積累與近 5 年的教學經驗，并展示了作者課題組近年來的最新研究成果，包括超低軌衛星的氣動阻力計算與分析、氣固相互作用模型與滑移邊界條件、多尺度和低噪聲粒子方法，以及熱漲落等。希望為稀薄氣體流動、高超聲速氣體流動、微尺度流動等問題的研究提供新的解決方案，推動這一領域的進一步發展。

本書的相關研究內容得到了國家自然科學基金項目 ( 編號 : 92052104 、 12272028 、 92371102) 的資助。

本文摘編自《 分子氣體動力學 》 （張俊，楊浩，馬 啟涵著 . 北京 : 科學出版社 , 2025. 6）一書“前言”“第1 章 緒論”，有刪減修改，標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-080808-0

責任編輯 : 趙敬偉 田軼靜

本書內容適合從事氣體動力學的研究人員閱讀，亦可作為航空航天及相關領域工程設計人員的工具書和參 考書。對于高年級本科生和研究生而言，本書內容是對連續介質力學課程內容的有益補充，閱讀本書可以擴展其知識體系。

（本文編輯：劉四旦）

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