水波的数值模拟 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:天津大学出版社

作者:陶建华

出品人:

页数:269

译者:

出版时间:2005-5-1

价格:30.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787561821374

丛书系列:

图书标签:

• 数值模拟
• 水波
• 计算流体力学
• 海洋工程
• 水动力学
• 有限差分法
• 有限元法
• 谱方法
• 边界元法
• 数值水槽

《水波的数值模拟》 这是一本致力于探索和揭示水体动态行为背后奥秘的深度学术著作。本书并非一本故事书，也不涉及任何文学叙事，其核心内容完全聚焦于利用尖端计算技术来理解和预测水波的生成、传播、相互作用及其复杂变化。 核心内容与结构： 全书围绕“数值模拟”这一核心方法展开，将复杂的流体力学理论转化为可执行的计算模型。其结构清晰，层层递进，旨在为读者建立一个系统性的认知框架。 第一部分：理论基础与数学框架 流体力学基础： 在进入数值模拟之前，本书首先回顾了与水波现象密切相关的经典流体力学原理。这包括但不限于纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）的推导与讨论，以及适用于水波研究的简化模型，如线性波理论、非线性波理论（如KdV方程、非线性薛定谔方程）等。详细阐述了流体运动的连续性方程、动量方程，以及在特定边界条件下这些方程的适用性。 波浪理论回顾： 深入分析了不同类型的波浪，例如浅水波、深水波、长波、短波等，并介绍了描述它们传播特性的数学解析方法。例如，傅里叶分析在分解复杂波形中的作用，以及拉普拉斯变换在求解特定边界值问题中的应用。 数值方法概述： 介绍了几种主流的数值方法，包括有限差分法（Finite Difference Method, FDM）、有限元法（Finite Element Method, FEM）和有限体积法（Finite Volume Method, FVM）。每种方法的原理、优缺点以及在模拟水波问题中的适用场景都将得到详尽的分析，并给出相应的数学表述。 第二部分：数值模拟技术的实现与应用 离散化技术详解： 详细讲解如何将连续的偏微分方程（如纳维-斯托克斯方程）转化为可在计算机上求解的代数方程组。这包括空间离散化（如通过网格划分）和时间离散化（如使用向前欧拉法、向后欧拉法、Crank-Nicolson方法等）。重点分析不同离散化格式的精度、稳定性和收敛性。 边界条件的处理： 在模拟水体运动时，边界条件的设置至关重要。本书将详细讨论自由表面边界条件、固体壁面边界条件、周期性边界条件等，以及如何在数值模型中准确地实现这些条件，以保证模拟结果的物理真实性。 网格生成与自适应： 介绍各种网格生成技术，包括结构化网格和非结构化网格。对于复杂的几何形状和需要高精度的区域，将重点阐述自适应网格技术（Adaptive Mesh Refinement, AMR）的原理和实现，以提高计算效率和模拟精度。 求解器与算法： 探讨用于求解大型线性代数方程组的迭代法（如共轭梯度法）和直接法，以及在时间积分过程中常用的隐式和显式求解算法。 第三部分：特定水波现象的数值模拟案例 波浪的生成与传播： 通过数值模拟方法，重现不同波源（如推镦式、活塞式）激发的波浪，并分析其传播过程中的能量衰减、色散效应。 波浪的破碎与溃决： 针对浅水区或近岸的波浪破碎现象，采用高分辨率的数值模型，模拟波峰的塌陷、泡沫的形成等复杂过程，分析其动力学机制。 波浪与结构的相互作用： 模拟波浪作用于不同类型结构（如防波堤、平台、船舶）时的力学响应，包括波浪力、附加质量、阻尼等，为工程设计提供数据支持。 非线性波浪现象： 聚焦于孤立波（Soliton）、行波（Breather）等非线性波浪现象的数值模拟，分析其独特的传播和演化特性。 多相流模拟： 简要介绍涉及气泡、沙粒等掺杂物质的水波模拟，展示如何处理多相流的复杂性。 第四部分：模型验证、误差分析与前沿展望 模型验证与校准： 强调数值模型结果与实验数据或解析解进行对比验证的重要性，介绍常用的验证指标和方法。 误差分析与不确定性评估： 讨论数值模拟过程中可能产生的误差来源（如截断误差、收敛误差、模型误差），并介绍如何进行误差分析和不确定性评估。 计算效率与优化： 探讨并行计算、GPU加速等技术在提高大型水波模拟计算效率方面的应用。 前沿研究方向： 展望数值模拟在海洋工程、海岸防护、水利科学、环境监测等领域的新兴应用，并探讨未来可能的研究方向，如机器学习与数值模拟的结合、更精细化的自由表面追踪方法等。 本书的特点： 深度与广度并重： 既有扎实的理论基础，又有丰富的实践案例。 技术性强： 专注于计算方法和模型构建，而非宏观描述。 学术严谨： 引用大量经典研究和最新文献，保证内容的科学性和前沿性。 逻辑清晰： 结构化的章节安排，使读者能够循序渐进地掌握知识。 总而言之，本书为读者提供了一个全面、深入的视角，来理解如何运用数值模拟这一强大的工具，来解析和预测千变万化的水波现象。它适合于流体力学、海洋工程、水利工程、计算科学等领域的专业研究人员、工程师和高年级本科生及研究生。

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翻开这本书的封面，我原本以为会是那种枯燥乏味、充斥着专业术语的“工具书”，但阅读的体验却远超我的预期。作者的文笔非常流畅，叙事感极强，仿佛在给我这位非专业背景的读者讲述一个关于自然界奥秘的精彩故事。在介绍核心算法时，书中大量运用了生动的类比和图示，这极大地降低了理解门槛。例如，在解释某种迭代方法的收敛性时，作者没有直接抛出复杂的稳定性条件，而是将其比喻为“在崎岖山路上稳健前行的登山者”，每一步都需要精确计算落脚点，生动形象。这种将高深理论“翻译”成日常语言的能力，是很多理工科著作所欠缺的。此外，书中对历史发展脉络的穿插描写也十分到位，让人明白了这些理论是如何在历史的长河中逐步完善和修正的。这本书的价值在于，它不仅传授了“是什么”，更令人信服地解释了“为什么会是这样”，读起来酣畅淋漓，很有收获。

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这本书给我的感觉是极其“厚重”且“扎实”，每一页都凝聚着作者多年的心血和对细节的极致追求。我特别关注了书中关于数据处理与误差分析的那几个章节。在如今这个大数据时代，如何有效且负责任地处理实验或模拟产生的数据，是检验一个理论是否可靠的关键。这本书在这方面的处理堪称典范。它没有回避误差来源的复杂性，反而将其系统地分类、量化，并提出了多套应对策略。无论是系统误差的消除技术，还是随机噪声的统计过滤方法，作者都提供了详尽的步骤和可供复现的代码框架（虽然我没有实际运行，但其描述的清晰度已足以令人信服）。更令人赞叹的是，作者对不同近似方法在不同尺度下的适用性进行了细致的对比，这体现了一种成熟的、不搞“一刀切”的科学态度。读完这些章节，我感觉自己对“精确”这个概念有了更深层次的理解，它不是一个绝对值，而是一个在特定约束条件下的优化结果。

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我必须承认，这本书在某些章节的难度是相当高的，它要求读者具备一定的数学直觉和对物理过程的深刻洞察力。然而，正是这种挑战性，使得每一次“豁然开朗”的瞬间都显得弥足珍贵。我对其中关于边界条件处理的章节印象尤为深刻。在模拟的实际应用中，如何准确地设置和处理边界条件往往是决定成败的关键。作者针对多种实际场景，从理论推导到数值实现，给出了一整套解决方案，其中对“透射边界”和“吸收边界”的详细分析，远超我之前在其他教材中看到的泛泛而谈。书中对非线性效应的讨论也十分到位，作者巧妙地运用了分岔理论的视角来审视系统在参数变化时的稳定性转变，这无疑提升了整本书的学术高度。这本书无疑是为有志于在相关领域进行深入研究的硕士或博士研究生量身定做的进阶读物，它提供了从“知道”到“精通”的桥梁。

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这本新近读到的学术著作，虽然主题看似专注于某个特定领域，但其深邃的理论建构和严谨的论证过程，给我留下了极其深刻的印象。作者似乎拥有一种将复杂现象抽丝剥茧的能力，他/她并没有满足于表面的描述，而是深入到问题的本质，构建了一套多层次、相互关联的分析框架。特别是关于模型假设与实际观测之间偏差的讨论部分，展现了极高的批判性思维。书中对数学工具的运用并非炫技，而是精准地服务于物理图像的刻画，那些复杂的偏微分方程组被清晰地拆解，每一步推导都逻辑链条完整，让人在阅读时几乎找不到可以质疑的地方。我尤其欣赏作者在引言中对研究背景的梳理，那份对现有文献的全面回顾和精准定位，显示了作者深厚的学术功底和对研究领域前沿的敏锐把握。这本书更像是一份精密的蓝图，指引着研究者如何从基础原理出发，构建起可靠且具有预测能力的理论体系。对于任何希望在理论物理或应用数学领域深耕的读者而言，这本书无疑是一份不可多得的宝贵资源。

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这本书的结构设计非常巧妙，它没有采用传统的“先理论后应用”的线性结构，而是采用了一种交织推进的方式。每当理论讲解深入到一定程度，作者会立刻引入一个精心挑选的实际案例进行佐证和应用展示。这种做法极大地增强了阅读的连贯性和说服力。例如，在阐述了某一特定数值格式的稳定性和收敛性后，紧接着就是如何利用该格式去重现一个著名的物理现象的演化过程，每一个关键时间点的图景都与理论预期高度吻合。这种“理论—验证—深化”的闭环结构，使得读者在学习理论的同时，能即时感受到这些抽象概念在解决真实世界问题中的强大威力。此外，书中对软件实现层面的考量也十分细致，提到了并行计算的优化策略和内存管理的技术要点，这对于任何打算将理论转化为实际计算程序的工程师和研究人员来说，都是实实在在的宝贵经验。这是一本真正意义上连接了纯理论与工程实践的杰出著作。

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