《高超声速飞行中的辐射输运和磁流体力学》：
第1章 绪论
高超声速（hypersonic）是我国著名科学家钱学森先生在1946年发表的一篇论文中提出的一个重要概念与术语。1963年，钱学森先生出版了《星际航行概论》这部专著，进一步全面阐述了星际航行技术和星际航行实践这项复杂的系统工程。如今，航空与航天技术已成为衡量一个国家整体科技实力和工业基础的重要标志，同时也是衡量一个国家综合国力的重要组成部分。
高超声速飞行器是指飞行Mach数大于5，能够在大气层或星际空间中进行远程飞行的飞行器，其中包括航天飞机、高超声速巡航导弹、星际空间探测器以及行星与行星际载人飞船等。因此，高超声速飞行器技术涉及高超声速气动热力学、辐射流体力学、磁流体力学（magnetohydrodynamics，MHD）、化学动力学、稀薄气体动力学、平衡态与非平衡态高温气体的统计物理学、气动电磁学、气动光谱学、气动光学、计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）、计算电磁学，以及导航与控制技术、电子信息与通信技术、材料结构与工艺制造技术等多门学科的交叉与融合，涉及高超声速推进、高超声速飞行器机身与推进一体化设计、飞行器热防护技术，高超声速飞行器地面风洞试验技术以及空中飞行试验等多项前沿技术的高度综合，涉及系统工程理论的指导和系统论方法学的研究。
《高超声速气动热力学》[5]一书主要讨论了高超声速飞行器飞行和再入大气层时，所涉及的四个流区（即自由分子流区、过渡区、滑流区和连续介质区）。按照以前传统的做法，四个流区各自采用不同的近似方法，因此不同的处理方法便缺乏计算方法上的统一与协调，缺乏共同指导的理论基础。因此，我们在该书中针对涉及的四个流区，提出了“从一个力学基本方程出发，构建一个基本的求解框架、突出一个统计系综、立足一种普遍形态的思想方法”，并借助这一方法分析与求解了火星大气层、土卫六大气层以及地球大气层中18种国际上著名航天器与探测器的高超声速绕流问题，其中包括242个再入飞行典型工况的气动力、气动热以及飞行器热防护问题的分析，且有231个工况已在相关国际会议、学术杂志以及全国学术会上发表。应该讲，文献[5]更多的是讨论针对四个流区如何在统一的力学方程基础上进行合理近似求解的问题，它紧紧扣住了高超声速气动热力领域的核心内容，进行了一次在这一领域中将微观物理与宏观力学相互结合的成功探索。
《高超声速飞行中的辐射输运和磁流体力学》主要探讨辐射气体动力学和磁流体力学两大部分。这些内容的研究与钱学森先生、郭永怀先生1958年在中国科学技术大学创建近代力学系（钱学森任首届系主任）、化学物理系（郭永怀任首届系主任）以及郭永怀先生在中国科学院力学所创建“磁流体力学”方向的总体布局紧密相关。在钱学森和郭永怀先生的倡导下，中国科学技术大学建校初期在近代力学系设立了高速空气动力学专业（林同骥、卞荫贵、郭永怀、钱学森等先生亲自授课）和喷气技术热物理专业（吴仲华等先生亲自授课）等；在化学物理系设立了物理力学专业（钱学森先生亲自授课并于1962年出版了《物理力学讲义》）和高速化学反应动力学专业等，现在看来这些专业的设置的确是非常英明的决策。如果从1958年至今这些专业一直坚持办下去的话，那么我国高超声速飞行器方面的设计队伍一定会比现在更加强大、基础研究一定会更加坚实。
1.1 高超声速飞行与再入问题中PCGD的原子分子理论
气体动力学（gasdynamics）是流体力学的一个分支，是研究可压缩流体的运动规律及其与固体的相互作用。以空气动力学为例，它是研究物体（如各种飞行器）与空气做相对运动时的相互作用及其规律的一门科学。随着物体相对于空气运动速度的增加，物体与空气之间的相互作用也越来越强烈，于是出现了“声障”“热障”和“黑障”等问题。突破“声障”发展与形成了以激波理论为核心的超声速空气动力学理论，突破“热障”发展与形成了以研究飞行器周围气体对飞行器的热输运为核心的气动热力学（aerothermodynamics）。气动热力学将空气动力学与化学热力学、化学动力学、统计物理和量子力学相结合，主要研究高速或高超声速流动问题。因此，von Karman（冯 卡门）把这种流动问题称为气动热化学（aerother-mochemistry）[13]，也有的书籍中称为高超声速和高温气体动力学[14]或物理气体动力学等；更多的学者将其称为气动热力学[16]或者高超声速气动热力学[17-20]。
在高超声速飞行问题中，“黑障”是指通信中断，即高超声速气流绕飞行器流动，产生脱体弓形激波，飞行器周围的气体在激波和表面摩擦作用下形成高温气体并产生电离，成为部分电离气体，这些电离气体流向飞行器尾部便形成等离子体尾迹。通常，人们把飞行器周围的等离子体称为等离子鞘。当飞行器机载电磁通信天线发射或接收电磁波时，电磁波被电离气体反射、吸收而强度衰减，甚至完全不能穿过等离子体层而发生通信中断[21]。20世纪50～70年代随着航天工程的开展[22-26]，美国和苏联对“黑障”问题开展了大量的飞行试验，详细研究了飞行器周围气体产生等离子体的机理、气体的电磁性质的变化、与电磁波相互作用的规律，并寻找到解决通信中断的技术途径。由于“黑障”问题出现在飞行器高超声速再入的过程中，因此当时人们常把“黑障”问题的研究称为“再入气动物理（reentry aero-physics）”，常简称为再入物理[27-29]。另外，那时“再入物理”还包括再入过程中飞行器和周围气体的光辐射、对雷达波的散射以及大气中雨、雪粒子对飞行器表面防热材料的侵蚀等物理现象的机理分析与研究。
……

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 高超声速飞行与再人问题中PCGD的原子分子理论 2
1.2 本书的范围、内容和意义 6
第一篇 气体动理学、输运理论和气动热力学基本方程组
第2章 Boltzmann方程和广义Boltzmann方程 11
2.1 Boltzmann方程的守恒性质和宏观守恒方程 11
2.2 单原子分子、多组元气体的Boltzmann方程 15
2.3 单组元、多原子分子、考虑量子数和简并度的Boltzmann方程 17
2.4 多组元和多原子分子的广义Boltzmann方程 l9
2.5 BGK模型方程及其局限性 20
2.6 小Knudsen数特征区的主要特点及其分析 24
第3章 粒子输运方程、Lorentz变换和辐射输运方程 29
3.1 粒子输运方程和中子输运方程 29
3.2 辐射输运方程 32
3.3 Lorentz变换 34
3.4 辐射输运方程的Lorentz变换及其近似处理 36
第4章 高超声速非平衡广义Navier-Stokes方程组 38
4.1 Navier-Stokes方程组的积分与微分形式 38
4.2 广义的Navier-Stokes方程组 40
4.3 高温、高速、热力学与化学非平衡态流动的控制方程组 45
第二篇 辐射流体力学基本方程组及其数值求解方法
第5章 非定常可压缩湍流计算的高效高分辨率算法 53
5.1 基于Favre平均的可压缩湍流基本方程组 53
5.2 可压缩湍流的大涡数值模拟及其基本方程组 55
5.3 RANS与LES组合的杂交高效方法 57
5.4 RANS、DES和LES方法中vt的计算 60
5.5 可压缩湍流的k-w模型 61
5.6 RANS计算与局部DES分析相结合的高效算法 62
5.7 非定常流的高分辨率高效率算法及其处理策略 79
第6章 吸收和散射系数的确定及全光谱K分布的辐射输运方程 92
6.1 辐射的本质和电磁辐射的波谱范围 92
6.2 辐射输运方程的扩散近似和散射相函数截断的方法 97
6.3 辐射输运方程中吸收系数的计算 105
6.4 K分布方法与关联K分布方法 123
6.5 平衡态与非平衡态时粒子数布居的方程 129
6.6 散射系数计算的主要步骤和5种典型的散射过程 137
6.7 考虑电子散射效应的Fokker-Planck方程 139
6.8 考虑介质折射率的辐射输运方程 145
6.9 辐射输运方程的有限体积法及其与能量方程的耦合求解 150
6 10 全光谱K分布的辐射输运方程 155
第7章 高超声速飞行中辐射流体力学基本方程组的耦合求解 159
7.1 考虑辐射时平衡态与非平衡态的流体力学方程组 160
7.2 定解条件的提法和飞行器壁表面温度的确定 165
7.3 一维非定常辐射流体力学基本方程组 174
7.4 二维非定常辐射流体力学方程组 181
第三篇 电磁流体力学基础与矢量辐射输运方程
第8章 Maxwell方程组的数学结构和电磁场中带电粒子的运动 187
8.1 “黑障”问题的出现和气动电磁学的内涵 187
8.2 电磁场的重要定律及其场的规范变换 190
8.3 Maxwell方程组的数学结构及其边界条件 193
8.4 电磁流体力学基本方程组及其数学结构 197
8.5 狭义相对论下Maxwell方程组的协变性 201
8.6 电磁场中带电粒子运动的Lagrange函数与Hamilton函数 207
8.7 运动点电荷的电磁场及其带电粒子的加速运动 211
8.8 电子的电磁质量与辐射阻尼力 214
8.9 Vlasov方程和耦合的方程组 216
第9章 磁流体力学的一维和多维流动及其稳定性理论 224
9.1 带电体运动与电磁场相互作用的经典理论 225
9.2 磁流体力学的基本标度及其多组元模型 228
9.3 磁流体力学的双组元模型 232
9.4 单组元模型及其简化时的限制条件 233
9.5 一维、定常和磁流体的Hartmann流动及其通解 239
9.6 二维、定常和磁流体的Hartmann流动及其Shercliff解法 243
9.7 磁流体力学中小扰动方程及其简单波流动的特征 246
9.8 磁流体力学的激波关系 259
9.9 冷和热等离子体中的波及其色散关系 264
9 10 磁流体活塞问题和拟一维流动 279
9 11 超声速定常磁流体绕楔流动 284
9 12 可压缩、有电导率、理想完全气体的小扰动流动 292
9 13 不可压缩与可压缩磁流体定常流动边界层问题的方程组 294
9 14 高超声速磁流体绕平板的边界层流动及其Crocco变换 303
9 15 理想磁流体力学稳定性问题的一般方程及其应用 306
9 16 磁流体的不稳定性分类和等离子体中的非线性效应 312
第10章 狭义相对论下磁流体力学方程组的构成 321
10.1 Minkowski四维时空与Lorentz协变性原理 321
10.2 Minkowski四维时空中的速度、加速度与四维动量 323
10.3 Minkowski时空中的四维力及其四维动量守恒 325
10.4 狭义相对论流体力学中的能动张量和守恒律方程组 326
10.5 Minkowski四维时空中电磁场的场强张量和能动张量 328
10.6 狭义相对论下理想磁流体力学基本方程组 333
第11章 考虑辐射偏振特性的矢量辐射输运方程 336
11.1 入射电磁波的椭圆偏振分析及其Stokes参数的几种表达 336
11.2 入射波具有带宽时Stokes参数的表达 339
11.3 标量的RT方程和矢量的RT方程 340
11.4 Stokes矩阵和VRT方程中相矩阵的表达 344
第四篇 磁流体力学基本方程组的数值求解方法
第12章 磁流体力学基本方程组的高精度、高分辨率解法 351
12.1 磁流体力学数值方法研究的某些进展和应用背景 351
12.2 磁流体力学的基本方程及其基本假设 354
12.3 两类守恒型磁流体力学基本方程组 359
12.4 求解磁流体力学的数值方法及其存在的问题 360
12.5 磁场伪散度问题处理的投影方法 362
12.6 有限体积法中黏性项、传热项和磁场项的处理 362
12.7 有限体积法中的高效率LU及其Gauss-Seidel算法 366
12.8 非结构网格下有限体积的Gauss-Seidel迭代法 371
12.9 非结构网格下有限体积法的双时间步长迭代格式 373
12.10 高精度、高分辨率RKDG有限元方法 374
第五篇 两类基本方程组的典型应用
第13章 辐射与磁流体的典型算例和红外隐身与磁流体控制技术 383
13.1 飞行器表面红外辐射特性的计算及其红外隐身的分析 383
13.2 全光谱K分布方法的校核和降低喷管红外辐射的途径 396
13.3 飞行Mach数为23.9和25.9时钝体绕流的光辐射特性计算 408
13.4 磁流体间断有限元程序的校验和飞行器的磁流体控制 411
13.5 N-S方程与Maxwell方程的耦合求解和高超声速算例 437
参考文献 470

《高超声速飞行中的辐射输运和磁流体力学》分为五篇13章，分别从辐射流体力学和磁流体力学基本方程组的构成、离散与求解以及应用等方面进行了系统的研究。它是飞行器热防护、红外隐身以及磁流体控制的理论基础。《高超声速飞行中的辐射输运和磁流体力学》给出了国内外著名科学家的重要著作与文献882篇，为读者提供了一个十分宝贵的文献参考平台。