在能源与动力工程领域，数值计算软件是解决复杂工程问题的重要工具。目前，市场上存在多种与能源与动力工程相关的数值计算软件，它们各有特色，具体使用方法也不尽相同。这些软件在能源与动力工程领域的应用较为广泛，包括MATLAB、ANSYS、COMSOL、ASPEN等。它们在各自的领域内都有独特的优势，能够满足不同类型的工程需求。本书在介绍软件使用方法的同时，也对相关软件所涉及的理论背景进行了简要介绍，主要包括： 第1章 能源与动力工程数值计算方法概述：简要介绍能源与动力工程数值计算方法的概况及其地位和作用。 第2章偏微分方程数值解法及热工应用实例：介绍了偏微分方程的差分数值解法，阐述了离散方程的构建理论与差分方法基础。通过热工基础算例，包括矩形空腔导热计算、肋片导热计算以及朗肯循环效率计算，展示了如何利用MATLAB进行偏微分方程的数值求解，将理论方法应用于实际热工问题的计算。第3章流体数值计算方法与应用实例：讲解了计算流体动力学理论与应用基础，通过多个流体计算案例，如圆管等热流边界充分发展层流对流传热、圆柱绕流模拟、旋风分离器气固两相分离模拟、卧式分离器气液两相分离模拟以及冷热空气混合器的多目标优化，详细说明了如何使用ANSYS Fluent进行单相和两相流体数值计算，解决实际工程中的流体相关问题。第4章流固耦合数值分析与应用实例：从流固耦合分析基础出发，通过水流冲击平板分析和燃烧室热变形分析两个实例，介绍了利用ANSYS软件进行流固耦合分析的方法，探讨了流体与固体之间相互作用的数值计算在能源动力工程中的应用。第5章 多物理场耦合分析与应用实例：首先对多物理场耦合分析基础理论出发，引入软件多物理场耦合分析软件COMSOL，通过蒸汽重整器、圆柱形锂离子电池热建模等仿真案例，探讨了多场耦合下传热传质机理，展示了COMSOL在能源动力工程中处理多物理场问题的应用能力。第6章 热力设备与系统建模仿真与应用实例：先介绍了化工过程模拟的相关内容，接着引入Aspen Plus 的入门知识。通过管壳式换热器设计校核和布雷顿热力系统模拟，展示了如何使用Aspen Plus进行热力设备与系统等相关的仿真计算，为能源动力工程中的化工过程模拟提供了方法和工具。

本教材立足能源与动力工程专业特色，构建起理论方法-软件工具-工程案例三位一体的知识体系，章节编排遵循从简单到复杂、从单一到耦合、从方法到前沿的认知规律。第1章阐明数值计算的必要性、应用场景及学习价值；第2章聚焦偏微分方程的数值解法，夯实理论基础；第3~6章从单一物理场延伸至耦合问题，再进阶至系统级建模，结合实操与案例解决计算工具与方法的应用问题；第7章展望新兴技术，探索数值计算的未来形态。
本书可作为能源动力、环境工程、化学工程、航空航天等领域的本科生和研究生教材，亦可供上述领域的科研人员及工程技术人员参考。

汤松臻，郑州大学教授，博士生导师，学科特聘教授（青年拔尖）。2019年12月博士毕业于西安交通大学，师从中国科学院院士何雅玲教授。现任新能源与低碳技术研究所副所长、党支部书记。近年来面向国家重大战略需求，围绕工业余热高效综合利用的共性基础问题开展了系统研究。主持了国家自然基金面上、青年项目（结题优秀）、河南省优秀青年科学基金、中原英才-中原科技创新青年拔尖人才计划、河南省重点研发专项（课题）、河南省青年人才托举工程、河南省科技攻关等等10余项国家和省部级纵向项目，作为项目负责人与大唐中南电力试验研究院、河南北工机械制造有限公司等企业开展校企合作研发项目5项。担任河南省电机工程学会锅炉专委会委员、河南省制冷学会理事、河南省设备工程专家库高级专家、发电技术期刊青年编委、生态产业科学与磷氟工程期刊青年编委、以及河南省科技厅、西藏自治区科技厅和山西省科技厅等评审专家。主要从事工业余热高效综合利用的共性基础问题研究：1. 工业过程强化传热与节能新技术；2. 相变储热技术及高效储热装备；3. 低碳零碳能源技术开发及应用。

第1章能源与动力工程中的典型问题与数值计算需求(1)
1 1能源与动力工程领域核心问题概述(1)
1 2能源与动力工程领域对计算能力的迫切需求(2)
1 2 1复杂工程问题求解的必然要求(2)
1 2 2工程优化设计的关键支撑(3)
1 2 3应对大数据与智能化挑战(3)
1 3数值计算方法在能源与动力工程中的应用场景(3)
1 3 1案例一：燃气轮机透平叶片冷却优化研究(4)
1 3 2案例二：光热电站熔盐储热系统性能研究(4)
1 3 3案例三：生物质热解炭化系统性能优化研究(5)
1 4《工程教育认证标准(2024版)》对计算能力培养的要求与教材契合度(5)
1 4 1知识体系构建(6)
1 4 2问题分析与解决能力培养(6)
1 4 3计算思维与创新能力培养(7)
1 5学生计算能力培养对学生未来发展的深远影响(7)
1 5 1就业竞争力提升(7)
1 5 2科研创新能力培养(7)
1 5 3适应行业变革与发展(8)
第2章偏微分方程数值解法及热工应用实例(9)
2 1偏微分方程的差分数值解法(9)
2 1 1流动与传热控制方程及分类理论(10)
2 1 2典型方程的物理特性与数值求解特征(11)
2 1 3广义对流-扩散方程的统一建模及工程应用意义(11)
2 2离散方程的构建理论与差分方法基础(12)
2 2 1离散化基础理论(13)
2 2 2离散方程构造与边界处理(14)
2 2 3线性方程组求解与格式分析(15)
2 2 4工程应用策略(17)
2 3热工基础典型算例(17)
2 3 1能源装备中矩形空腔导热计算(17)
2 3 2能源装备中肋片导热计算(22)
2 3 3能源装备中朗肯循环效率计算(26)
2 3 4拓展训练(30)
第3章典型流体动力学数值计算方法与应用实例(32)
3 1计算流体动力学理论与应用基础(33)
3 1 1计算流体动力学简介(33)
3 1 2CFD数值模拟的优缺点(33)
3 2ANSYS FLUENT仿真流程(34)
3 2 1CFD数值模拟的实施(34)
3 2 2离散方程的解法(36)
3 2 3湍流模型分类与选择依据(37)
3 2 4多相流模型介绍(41)
3 3流体计算案例(43)
3 3 1太阳能集热管内流动传热过程(43)
3 3 2烟气横掠管束流动过程仿真(51)
3 3 3旋风分离器内气固两相分离过程仿真(56)
3 3 4卧式分离器内气液两相流动过程仿真(62)
3 3 5相变储能装置内储热过程仿真(71)
3 3 6冷热空气混合器的多目标优化(77)
第4章流固耦合数值分析与应用实例(90)
4 1流固耦合分析基础(90)
4 1 1理论基础(91)
4 1 2单向流固耦合分析(92)
4 1 3双向流固耦合分析(93)
4 1 4耦合面的数据传递(93)
4 2基于流固耦合的水流冲击平板过程仿真(94)
4 3基于热流固耦合的燃烧室热变形过程仿真(102)
第5章多物理场耦合数值分析与工程案例(115)
5 1多物理场耦合分析基础理论(115)
5 1 1多物理场耦合的定义与内涵(115)
5 1 2多物理场耦合的分类与耦合机制(116)
5 1 3多物理场耦合的数学建模与数值求解(116)
5 1 4多物理场耦合分析的工程应用与挑战(116)
5 2多物理场仿真软件COMSOL介绍(116)
5 2 1COMSOL软件的特点(116)
5 2 2与其他有限元软件的差异(118)
5 2 3弱形式原理(119)
5 3多物理场耦合分析案例(121)
5 3 1锂离子电池风冷散热过程仿真(121)
5 3 2蒸汽重整制氢反应过程仿真(130)
5 3 3拓展训练(137)
第6章热力设备与系统建模仿真与应用实例(139)
6 1化工过程模拟简介(139)
6 1 1化工过程的基本特点(139)
6 1 2化工过程模拟(140)
6 1 3化工过程模拟的作用(140)
6 1 4化工过程模拟软件(141)
6 2Aspen Plus入门(141)
6 2 1Aspen Plus简介(141)
6 2 2Aspen Plus主要功能(142)
6 2 3Aspen Plus的图形界面(142)
6 3Aspen Plus组分及物性选择(144)
6 4管壳式换热器性能仿真与设计校核(146)
6 4 1换热器模块介绍(146)
6 4 2管壳式换热器设计校核(147)
6 5布雷顿循环系统性能仿真与灵敏度分析(156)
第7章能源动力工程中的新兴数值技术展望(165)
7 1机器学习驱动的仿真优化技术：范式转变与方法论革新(167)
7 2云计算与HPC在工程仿真中的应用：计算范式的重构(169)
7 3开源工具的潜力：以OpenFOAM为例(171)
7 4总结与展望(174)
参考文献(176)