北航《分子气体动力学》：从分子运动论到气体动力学的理论与计算

基于连续介质假设的气体动力学在航空航天等领域得到了广泛应用。然而，随着现代技术的飞速发展，越来越多的气体动力学现象超出了这一理论的适用范围。例如，在超低地球轨道卫星的在轨飞行、航天器再入、临近空间高超声速飞行及微纳器件等问题所涉及的气体流动中，稀薄效应和非平衡效应变得尤为显著。在这些气体流动中，必须采用基于分子动理论(kinetic theory)的知识进行分析和计算，这一领域通常称为稀薄气体动力学。

▲ 空天飞行气动问题的分子模拟示意图

北航张俊、杨浩、马启涵新著《分子气体动力学》旨在介绍并探讨稀薄气体动力学的基础理论，重点阐述基于分子描述的计算方法。特别是，书中详尽介绍了本领域近年来发展的多尺度粒子方法和低噪声粒子方法，并展示了这些方法的实际应用。本书取名为《分子气体动力学》，旨在强调，本书涉及的理论、方法不仅适用于通常认为的稀薄气体流动领域，也同样适用于连续流动领域。

分子气体动力学

张俊，杨浩，马启涵著

北京: 科学出版社, 2025. 6

ISBN 978-7-03-080808-0

本书共11 章。

第1 章介绍了分子气体动力学的工程需求、发展历程及其科学内涵。

第2 章介绍了分子动理论的基本概念。

第3 章深入分析了分子动理论的核心——玻尔兹曼(Boltzmann) 方程，为理解分子气体行为提供了关键的理论框架。

第4 章详细介绍了当前分子气体动力学领域中应用最广泛的粒子模拟方法——直接模拟蒙特卡洛(DSMC) 方法。书中不仅提供了该方法的基本算法，还包含了具体的代码示例及其典型应用案例，帮助读者从理论走向实践。

第5 章和第6 章分别聚焦于分子气体动力学中的两个典型流动场景：自由分子流和滑移流。这两章结合实际案例，讨论了自由分子流在超低地球轨道卫星气动特性分析中的应用，以及滑移边界条件的推导。

第7 章和第8 章介绍了多原子分子的内能模型和化学反应模型，以及它们在DSMC 方法中的具体实现。

第9 章和第10 章聚焦于本领域在计算方法方面的最新研究进展：多尺度粒子方法和低噪声粒子方法。这两种创新性方法克服了传统粒子方法中的两个关键瓶颈——时空步长限制和统计涨落问题，从而显著提升了粒子方法的计算效率，拓展了应用场景。

第11 章探讨了由分子热运动引发的热涨落效应，进一步介绍了热涨落与流体宏观性质的联系，以及其对湍流输运性质的影响。

本书从分子水平出发，借助于分子动理论和统计力学搭建了一个涵盖稀薄和连续流动领域的理论框架，融入了作者在稀薄气体动力学领域近20 年的科研积累与近5 年的教学经验，并展示了作者课题组近年来的最新研究成果，包括超低轨卫星的气动阻力计算与分析、气固相互作用模型与滑移边界条件、多尺度和低噪声粒子方法，以及热涨落等。希望为稀薄气体流动、高超声速气体流动、微尺度流动等问题的研究提供新的解决方案，推动这一领域的进一步发展。

本书的相关研究内容得到了国家自然科学基金项目(编号: 92052104、12272028、92371102) 的资助。

本文摘编自《分子气体动力学》（张俊，杨浩，马启涵著. 北京: 科学出版社, 2025. 6）一书“前言”“第1 章 绪论”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-080808-0

责任编辑: 赵敬伟 田轶静

（本文编辑：刘四旦）