化学化工科研软件及应用

课程编码：081701M05004H 英文名称：Scientific Software and Applications in Chemistry and Chemical Engineering 课时：50 学分：3.00 课程属性：专业普及课 主讲教师：王利民等

本课程是一门化学、化工及相关专业研究生的专业普及课。随着计算技术的发展，科研软件已经成为解决化学、化工发展瓶颈问题的重要手段，也是新兴研究领域和学科增长点。通过在科研院所开展科研软件及应用普及教育，使学生掌握常用科研软件及其使用技巧，对于促进学生创新思维的形成、创新知识的运用和实践能力的培养具有重要的作用。熟练掌握科研软件使用，有利于科研院所科技成果快速发表，有利于提高我国科研单位的科研竞争能力。
通过本课程的学习，使学生了解科研软件的基本知识，为今后科研工作的学术论文撰写、数据处理、科技绘画、模拟计算及应用等等做好知识储备。
本课程的教学中，通过范例加深学生对各种常用科研软件了解并提高实践应用能力。本课程涉及化学化工领域许多常用科研软件，掌握其基本使用技巧后，可起到举一反三、事半功倍的作用。

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本课程的重点是教学生掌握常用的化学化工科研软件，本课程涵盖了三个部分：科学写作、科学制图和科学计算的常用软件。第一部分提供了科学写作实用指南。它涵盖了EndNote和BibTeX参考文献管理软件，Office，LaTeX和MathType排版工具，这些工具常用于论文撰写。 第二部分是科学绘图实用指南，学生应了解如何绘制化学结构和复杂图形并提高数据处理能力，包括ChemDraw，VMD，Origin，Tecplot，Matlab，Microsoft Visio，CAD和SolidWorks的使用技能。第三部分提供了科学计算实用指南，将简要介绍不同层次的计算模拟软件，例如量化计算层次的Gaussian，VASP和Materials Studio软件，分子动力学模拟层次的GROMACS，LAMMPS和NAMD以及计算流体动力学常用的Fluent和OpenFOAM。本课程将为学生今后科研工作的学术论文撰写、数据处理、科技绘画、模拟计算及应用等奠定基础。各部分的基本内容分述如下：
第一部分：科学写作实用指南
1. 文本编辑：Office和MathType (4学时)
（1）熟练掌握MS Word，Excel和PowerPoint
（2）MathType编辑数学公式
2. 参考文献管理：EndNote和BibTeX (6学时)
（1）在Windows上安装EndNote
（2）EndNote管理文档、引文和参考文献
（3）化学化工期刊文献格式简介
（4）BibTeX参考文献格式
3. 文稿排版：WinEdt和LaTeX (8学时)
（1）WinEdt: Windows中LaTeX文本编辑
（2）安装LaTeX
（3）LaTeX排版文字
（4）LaTeX排版数学公式
（5）LaTeX排版图形
（6）使用LaTeX准备稿件
第二部分：科学制图实用指南
4. 绘制化学结构：ChemDraw和VMD (4学时)
（1）化学结构与性能
（2）ChemDraw简介及初步应用
（3）VMD简介及初步应用
5. 数据处理与绘图：Origin，Tecplot和Matlab (6学时)
（1）数据可视化和后处理简介
（2）Origin简介及使用技巧
（3）Tecplot简介及使用技巧
（4）Matlab简介及使用技巧
6. 绘制复杂图形：Microsoft Visio，CAD和SolidWorks (6学时)
（1）复杂图形的绘制简介
（2）Microsoft Visio使用技巧
（3）计算机辅助制图与设计
（4）CAD简介及初步应用
（5）SolidWorks简介及初步应用
第三部分：科学计算实用指南
7. 量化计算软件：Gaussian，VASP和Materials Studio (4学时)
（1）量化计算概论
（2）Gaussian简介
（3）VASP简介
（4）Materials Studio简介
8. 分子动力学模拟软件：GROMACS，LAMMPS和NAMD (6学时)
（1）分子动力学模拟方法简介
（2）MD的应用
（3）GROMACS简介
（4）LAMMPS简介
（5）NAMD简介
9. 计算流体动力学软件：ANSYS Fluent和OpenFOAM (6学时)
（1）CFD研究历史
（2）CFD应用
（3）CFD如何工作？
（4）Ansys Fluent简介
（5）OpenFOAM简介
教学重点与难点
重点：能够用科研软件正确进行论文撰写、数据绘图及模拟计算。
难点：培养学生对科研软件的理解并提高实践应用能力。

1. LATEX: User’s Guide and Reference Manual. Lamport L (1994), Pearson Education, Englewood Cliffs. 【参考】
2. The Not So Short Introduction to LATEX2ε. Oetiker T, Partl H, Hyna I, Schlegl E (2006), Technical report. https://www.ctan.org/tex-archive/info/lshort. 【参考】
3. The Art of Molecular Dynamics Simulation. Rapaport DC (1995), Cambridge University Press. 【参考】
4. Methods of Molecular Quantum Mechanics. Magnasco V (2010), Wiley Press. 【参考】
5. 50 Years of CFD in Engineering Sciences, edited by Akshai Runchal, Springer. 【参考】
6. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Patankar SV(1980), Hemisphere Publishing, Washington, D.C. 【参考】
7. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method (2nd Edition), Versteeg HK and Malalasekera W (2007), Pearson Education. 【参考】

王利民，男，博士，研究员，博士生导师。2008年获中科院过程工程研究所化学工程博士学位，2008年到2009年在法国国家科研中心 (CNRS) 进行博士后研究，回国后历任多相复杂系统国家重点实验室助理研究员、副研究员和研究员。2012年入选中科院青年创新促进会会员，2017年获“侯德榜化工科技青年奖”。现任中国化工学会过程模拟及仿真专委会秘书长和中国工程院院刊《Engineering》青年通讯专家。主要从事多相湍流介尺度理论与方法研究，致力于介科学原理构建工程湍流模型和气固直接模拟。迄今在AIChE J，Chem. Eng. Sci等学术期刊上发表论文60余篇，参与Springer专著3部，参与翻译著作2部。先后主持项目15项，其中国家“两机”专项课题1项，国家重点研发计划课题1项、中科院前沿科学重点项目1项、国家自然基金委项目3项、973项目课题1项、中科院先导专项课题1项、通用电气、联合利华、道达尔、宝钢合作项目等7项。
任瑛，女，博士，副研究员，硕士生导师。1999年毕业于北京理工大学化工与环境学院，2009年获中科院过程工程研究所化学工程博士学位，毕业后留所工作。历任多相复杂系统国家重点实验室助理研究员和副研究员。2016年入选中科院过程工程研究所青年创新促进会会员，任中国生物物理学会生物相分离与相变分会第一届理事会会员、中国化工学会和中国颗粒学会会员。主要从事复杂分子体系的介科学理论研究，致力于乳液、聚合物及生物大分子的理论建模和分子动力学模拟。迄今在Molecular Simulation，Physical Chemistry Chemical Physics等学术期刊上发表论文30余篇，参与编写及翻译著作3部。先后主持项目8项，其中国家自然基金委项目3项、TOP500企业合作项目3项（联合利华、巴斯夫、中石化）。
张楠，男，博士，副研究员。2004年7月毕业于北京化工大学化学工程与工艺系，2010年7月在中国科学院过程工程研究所获博士学位，毕业后留所工作。主要从事介尺度传热传质模型的发展和应用、煤热解和燃烧的模型发展与应用等方面的研究工作，发表论文在国际学术期刊发表论文20多篇，申请专利1项。2012年获中国颗粒学会首届麦克-颗粒学会优秀论文奖（MIC-Particuology Excellent Article Award），2015年获教育部高等学校科学研究优秀成果奖科技进步奖1等奖。主持中国科学院战略性先导科技专项子课题、国家973计划项目子课题、院知识创新工程项目以及多个企业合作项目（法国电力、中石油、中石化、神华等），正在主持推进循环流化床超低排放燃烧、煤热解与气化等过程的模拟研究。