第一章绪论
二十世纪四十年代，电子计算机的出现，逐步把人们带入到数字信息时代，与此同时，
也改变了人们开展自然科学各个领域研究的模式。此前，自然科学各学科通常将其研究手段
区分为理论研究和实验研究两种，计算机的发展，数值模拟逐渐发展成一种独立于理论和实
验研究之外的全新手段，它可以用来解决理论和实验研究尚不能解决的许多复杂的实际问
题。计算热物理作为热科学的这样一种新的研究手段，是热物理、数值数学和计算机科学交
叉结合的产物，它以电子计算机为主要设备，采用离散化数值方法，对各种热物理问题进行
数值模拟研究，以解决热科学中各种实际问题，揭示新的物理现象，开拓新的研究方向。计
算热物理是一门有无限生命力的边缘科学。
1.1热物理问题数值研究的起源和发展
一门学科的诞生，首先在于客观需求。热物理研究与流动、传热传质和燃烧相关的物
理问题。控制热物理过程的方程基本上是非线性的，有的还具有复杂的边界条件，解析求解
通常不可能。早在上个世纪初，就有应用数学家提出了用差分离散方法和代数方程的迭代解
法来求解偏微分方程问题，并随后从理论上提出了差分方法的收敛性，使得对差分离散方法
的认识提到一个新的高度。但是，当时计算工具落后，热物理中即使一些相当简单的流动和
换热问题，数值方法求解仍需要很长的时间，且难以达到满意的近似要求。
电子计算机的出现和快速发展，才使这种需求变成可能。随着高速度、大容量、多功
能的计算机制成并广泛投入使用，为计算热物理的形成准备了条件。作为一门学科，至今，
它的发展大体上经历了以下三个阶段[1]：
（1）初创奠基期（1946－1974年）
计算机问世后，大量的数值算法，如有限差分方法中的算术平均格式、交替方向隐式
格式、多维分裂格式等相继提出。数值算法的理论研究，如格式的相容性、收敛性和稳定性
分析，都取得重要进展。世界上第一本大量介绍计算流体和计算传热学的杂志——《Journal
ofComputationalPhysics》于1966年创办。一些耦合非线性问题的具体解法也有突破：1965
年美国科学家Harlow和Welch提出了交错网格的思想，有效解决了速度、压力存放在同一
网格上时计算可能出现的两者失耦问题，促进了以速度、压力作为变量的原始变量法求解流
场问题的发展；1972年英国学者Spalding等人提出不可压缩流体速度－压力耦合问题顺序
求解的SIMPLE算法，解决了压力没有独立的计算方程的困难；这期间，为有效克服对流
项离散因采用中心差分格式出现数值振荡问题，人们认识到采用迎风差分格式离散是一种合
适方法；1974年，美国学者Thompson等人提出了用微分方程方法生成贴体坐标网格的方法，
为处理非规则边界条件的复杂计算问题创造了条件。所有这些，为计算热物理学科的发展奠
定了基础，但这个阶段，受硬件和软件条件的限制，数值方法所能模拟的问题还十分有限，
数值研究还只是理论研究和实验研究的辅助手段。
（2）蓬勃发展期（1975－1984年）
随着硬件条件的飞快发展，计算速度和容量都得到迅速提高。学者们在进一步探讨新
的数值算法和理论同时，把研究投向工程应用，使得解决复杂工程问题的计算逐渐变为现实。
理论和实际应用相结合，形成了《计算热物理》蓬勃发展的新时期。1977年，Spalding带
领学生开发的求解二维边界层输运现象的GENMIX程序公开发表，其设计思想对以后的热
科学通用软件开发有积极影响；1979年，《NumericalHeatTransfer》杂志创刊，用于流动传
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热计算的大型通用软件PHOENICS问世，具有三阶计算精度的对流迎风性差分格式—
QUICK格式发表，并在随后得到广泛应用；1980年，Patankar教授写的名著《NumericalHeat
TransferandFluidFlow》出版。该书条理清晰，内容精炼，说理透彻，为普及和推广计算热
物理教学和研究提供了一本很好的教材。1981年，PHOENICS软件正式投放市场，开辟了
热物理商用软件的先河。随后，流体和热科学的其它商用软件，如FLUENT,FIDAP等也先
后相继推出，使得学院式的研究成果真正走向工业应用。工业应用中的许多复杂新问题又不
断反馈回来，要求进一步改进软件的设计和功