明其全而析其微，《数值传热学实训》再版，助力国产NHT/CFD通用软件发展
本文摘要：（由ai生成）
本文强调数值传热学与计算流体力学（NHT/CFD）的重要性，并提倡开发自主产权的国产软件。西安数峰科技开发的MHT仿真软件打破国外垄断。陶文铨院士团队编写的《数值传热学实训》一书，融入研究成果和编程实践，强调自主软件开发。该书适合能源动力、石油化工等专业学生及技术人员。陶文铨院士认为培养软件开发能力是国产软件发展的关键。
传热与流动现象广泛存在于石油化工、能源动力、航空航天等诸多领域中，数值模拟是研究传热与流动过程的重要手段。长期以来，国际上应用较广的NHT/CFD(数值传热学/计算流体力学)商业软件均为国外开发，我国自主知识产权的NHT/CFD 通用软件尚处于发展阶段。目前，我国的传热与流动数值模拟大量依赖国外产品，已经对国家安全、国民经济造成潜在危害，成为关键“卡脖子”技术之一，这与我国科技的高速发展极不协调。科技自立自强是国家强盛之基、安全之要，是突破“卡脖子”技术的关键。
我国数值传热学开创者、西安交通大学陶文铨院士一直十分关注国产NHT/CFD 工业软件的开发，在其帮助下凌空等人成立了西安数峰信息科技有限责任公司，通过完全自主研发形式，打破国外垄断，成功开发了基于多物理场的流动传热通用仿真软件——MHT。该软件具备强大的软件架构、灵活的接口与丰富的计算功能，旨在更加高效、方便地纳入最新数值计算方法，已成功应用于实际工程问题。期待在陶先生的指导下，MHT 软件能够日益发展成熟，在NHT/CFD 领域占据一席之地，发出“中国声音”。
《数值传热学实训：NHT/CFD 原理与应用》（宇 波 李敬法 孙东亮 邓雅军编著. 北京：科学出版社，2024.3）作者均为陶文铨院士的弟 子或再传弟 子，本书的完成离不开先生一直以来的关心、支持和帮助！为了让读者更容易地掌握NHT/CFD 原理、培养独立开发程序的能力，进而助力开发具有我国自主知识产权的NHT/CFD 通用软件，笔者决定对本书第一版（《数值传热学实训》，北京：科学出版社，2018.6）进行再版。
陶先生一贯主张学习数值传热学要“明其全而析其微”，既要透彻理解数值方法的原理，又要知道具体实施的细节。在这一思想的指引下，笔者对本书第一版内容进行了重新编排和大量扩充，以期读者能够更好地掌握NHT/CFD 的原理及实施细节，具体章节安排详见1.5 节。值得指出的是，本书第一版出版以来，笔者收到大量读者来信，建议增加多相流和NHT/CFD 软件的内容。为了满足更多读者的需求，本书有针对性地增加了相应内容，说明如下：多相流动计算涉及内容众多，笔者学识有限，难以进行全面介绍，因此仅新增笔者擅长的“两相界面捕捉方法及相变模型”，对界面捕捉方法-VOSET及其相应的相变模型进行详细介绍；在众多NHT/CFD 软件中，Fluent 和OpenFOAM 是应用较广泛的商业软件和开源软件，因此本书重点对这两款软件的基本使用和二次开发进行了简要介绍。同时，本书第1～6 章还融入了第一版出版以来，笔者对有限容积法深度思考后的感悟和最新研究成果。此外，NHT和CFD 的基本原理存在很多相同点，且从广义上来说NHT 是CFD 的一个分支。为让更多读者受益，特将书名由《数值传热学实训》变更为《数值传热学实训：NHT/CFD 原理与应用》。
根据笔者近60 年的从教及40 余年的编写教材的经历与感受，大凡较好的教材可以区分为两大类，一类教材对所属学科的知识点做了良好梳理，很有利于后来人进入这个学科，但缺少编者自己的心得体会，因此在培养学生的创新精神方面就稍微逊色；另一类教材则除了在梳理已有的知识点方面有独特的地方外，更加重要的是传授了编著者本人在这个领域的研究成果和体会。宇波教授等编著的《数值传热学实训：NHT/CFD 原理与应用》第二版就是后者这样的教材。
首先在梳理现有的知识点方面仅以控制方程离散这个内容来说明。该书分别用4 章来展开这个内容，即第4 章正交结构化网格有限差分法，第5 章正交结构化网格有限容积法，第9 章贴体坐标有限容积法和SIMPLE 算法，以及第10 章非结构化网格有限容积法和SIMPLE 算法。这样就全面地涵盖了多种不同情况下的控制方程的离散方法。而且由于这四章排列的顺序，读者可以先就较简单的第4 章和第5 章进行学习和教学，而把第9 章和第10 两章留待第二阶段的学习与教学之用。
在传授编著者本人的研究成果和体会方面该书尤其出色，其特点大致可以归纳为以下三方面。
首先，该书介绍的IDEAL 算法和VOSET 方法就是该书第三作者孙东亮教授在笔者团队攻读博士学位时提出的，而且其后孙东亮教授又做了进一步发展，提出了相变的Sun 模型。宇波教授的博士学位论文在格式的有界性及高阶有界格式的构建方面做出了创新性的工作，以后在同位网格的界面插值方面也有不少新作。
其次，该书的大部分章节均有典型习题解析及编程实践这样两节，在题为“数值传热学调程和应用经验”的第17 章做了系统的总结，很具特色，是目前各类中外CFD/NHT 教材所没有的，这是非常可贵的材料，没有编著者本人大量的编程实践及所积累的资料，是无法写出这样的内容的。
最后，即使在介绍现有的商用软件如OpenFOAM 方面，该书也很有创意。这类图书坊间已有不少，但实际上一般只是商业软件的使用手册及使用案例的介绍，尽管这也是必需的，但缺少创新。该书则增加了Fluent 与OpenFOAM 的二次开发的内容，如OpenFOAM 自定义求解器开发实例(16.5 节)等，这样读者不仅能利用这种工具软件，而且培养了自己开发这类软件的能力。
笔者一直认为，如果我们的高等教育只是使学生学会如何使用现有商业软件，我们的水平最多是二流，必须培养学生具备自己开发软件的能力，才能使建立具有自主知识产权的国产软件成为可能并能持续发展，该书就是一本这样的好教材。
陶文铨
中国科学院院士
西安交通大学教授
2024 年1 月6 日于西安
本文摘编自《数值传热学实训：NHT/CFD 原理与应用》（宇波等编著. 2 版. 北京：科学出版社，2024.3）一书“第二版前言”“第二版序”，有删减修改，标题为编者所加。
本书主要以陶文铨院士编著的《数值传热学》和《计算传热学的近代进展》部分章节为基础，并结合作者在数值传热学教学、科研中积累的心得体会编写而成。全书对数值传热学的重点知识进行归纳总结，设计了大量习题，并给出了详细的参考答案，以加深读者对数值传热学知识的理解。为了提高初学者应用数值传热学的能力，本书设计了一些典型的编程题并给出了部分编程题的参考程序，同时对数值传热学的编程、调程及应用经验进行了比较系统的总结。此外，为方便读者进行自主学习，本书配套了慕课线上学习内容。
本书可作为能源动力、石油化工等领域相关专业的数值传热学课程的参考用书，也可为高等院校和科研院所相关专业的研究生、工程技术人员和科研人员提供一定的参考。
