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出版者:高等教育

作者:本社

出品人:

页数:321

译者:

出版时间:2006-5

价格:30.90元

装帧:简裝本

isbn号码:9787040187403

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《电磁流体动力学基础与应用》 内容简介 本书旨在全面、深入地介绍电磁流体动力学（MHD）的基本原理、数学模型、数值方法以及在工程领域中的广泛应用。本书适用于对流体力学、电磁学有一定基础，并希望深入了解 MHD 理论及其在天体物理、等离子体物理、核聚变、航天工程、以及地磁学等前沿科学和工程技术领域中应用的读者。 第一部分：MHD基础理论 第一章：流体动力学概述 1.1 流体的基本概念与性质： 本章首先回顾流体的定义，区分连续介质与分子理论，介绍流体的宏观性质，如密度、压力、粘度、表面张力等。重点阐述牛顿流体与非牛顿流体的区别，并介绍其在不同物理过程中的意义。 1.2 流体运动的描述： 详细介绍描述流体运动的两种基本方法：拉格朗日描述（粒子追踪）与欧拉描述（场描述）。重点阐述速度场、加速度场、涡度场等关键概念，为后续MHD方程的建立奠定基础。 1.3 流体守恒定律： 引入并详细推导流体运动的基本守恒定律，包括质量守恒（连续性方程）、动量守恒（纳维-斯托克斯方程）和能量守恒。在推导过程中，充分考虑不同流体模型（如不可压缩流、可压缩流）下的方程形式，并解释方程中各项物理意义，如惯性力、压力梯度力、粘性力、外力等。 1.4 流体边界条件与初始条件： 讨论在求解流体问题时，边界条件（如无滑移、无穿透、自由表面）和初始条件的重要性，并举例说明不同边界条件对流体行为的影响。 1.5 流体流动类型： 区分层流与湍流，介绍产生湍流的雷诺数概念，并初步探讨湍流的统计特性及其对流动过程的影响。 第二章：电磁学基础回顾 2.1 静电学基础： 复习库仑定律、高斯定律、电场强度、电势等基本概念。介绍导体、绝缘体在电场中的行为，以及电介质的极化现象。 2.2 静磁学基础： 复习安培环路定律、毕奥-萨伐尔定律、磁感应强度、磁场强度等基本概念。介绍磁性材料的分类（顺磁性、抗磁性、铁磁性）及其磁化特性。 2.3 电磁感应： 详细介绍法拉第电磁感应定律，理解变化磁场如何产生感应电动势和感应电流。介绍楞次定律，理解感应电流的方向。 2.4 麦克斯韦方程组： 这是本章的重点。系统介绍并推导麦克斯韦方程组在微分形式和积分形式下的表达。深入剖析每个方程所描述的物理规律（电场与电荷的关系，磁场与电流的关系，电场的时变如何产生磁场，磁场的时变如何产生电场）。强调麦克斯韦方程组是描述电磁现象的完整理论框架。 2.5 电磁波的传播： 基于麦克斯韦方程组，推导电磁波的波动方程，并讨论电磁波在真空和介质中的传播特性，包括速度、波长、频率、偏振等。 2.6 导体在电磁场中的行为： 讨论在变化的电磁场中，导体内产生的涡流（Foucault current）及其效应，为理解MHD中的欧姆定律奠定基础。 第三章：电磁流体动力学方程组 3.1 引入电磁力： 这是MHD的核心。详细解释洛伦兹力（Lorentz force） $ mathbf{J} imes mathbf{B} $ 作为作用在导电流体上的电磁力。分析洛伦兹力在不同情况下的表现，例如磁场对导电流体的阻碍作用，或导电流体在磁场中产生的推力。 3.2 导电流体中的欧姆定律： 建立考虑流体运动的欧姆定律，即 $ mathbf{J} = sigma (mathbf{E} + mathbf{v} imes mathbf{B}) $。详细解释其中各项的物理意义：电导率 $ sigma $，外加电场 $ mathbf{E} $，以及流体运动感生的电动势 $ mathbf{v} imes mathbf{B} $。 3.3 MHD控制方程组的推导： 将电磁力项引入纳维-斯托克斯方程，得到包含电磁力的动量方程。结合连续性方程、能量方程以及包含电磁场的麦克斯韦方程组，构成完整的MHD控制方程组。 质量守恒： $ frac{partial ho}{partial t} + abla cdot ( ho mathbf{v}) = 0 $ 动量守恒（Navier-Stokes-MHD方程）： $ ho left(frac{partial mathbf{v}}{partial t} + (mathbf{v} cdot abla)mathbf{v} ight) = - abla p + abla cdot mathbf{ au} + mathbf{J} imes mathbf{B} + ho mathbf{g} $ 能量守恒： (根据需要推导不同形式，如等温、绝热等) 麦克斯韦方程组： $ abla imes mathbf{E} = -frac{partial mathbf{B}}{partial t} $, $ abla imes mathbf{H} = mathbf{J} + frac{partial mathbf{D}}{partial t} $, $ abla cdot mathbf{D} = ho_e $, $ abla cdot mathbf{B} = 0 $ 欧姆定律： $ mathbf{J} = sigma (mathbf{E} + mathbf{v} imes mathbf{B}) $ 3.4 磁流体动力学中的重要概念： 磁雷诺数 ($Re_m$)： $ Re_m = frac{UL}{eta_m} $ (其中 $U$ 为特征速度， $L$ 为特征长度， $ eta_m = 1/(musigma) $ 为磁扩散率， $ mu $ 为磁导率)。详细解释磁雷诺数在判断磁场与流体耦合强度中的作用。当 $Re_m gg 1$ 时，流体“冻结”磁力线；当 $Re_m ll 1$ 时，磁场相对流体是独立的。 阿尔芬速度 ($v_A$)： $ v_A = frac{B}{sqrt{mu ho}} $。引入阿尔芬波的概念，解释磁场对流体扰动的传播速度。 磁场与流体的耦合： 深入分析洛伦兹力和感生电动势项如何将电磁场和流体动力学过程耦合在一起。例如，磁场如何阻止流体运动，或流体运动如何产生磁场。 磁场冻结（Magnetic Field Freezing）: 详细阐述在理想导电流体（ $ sigma o infty $）和低磁扩散率（ $Re_m o infty$）条件下，磁力线被流体“携带”或“冻结”的现象。分析其物理机制和局限性。 第四章：MHD中的重要现象与理论 4.1 磁层（Magnetosphere）与磁场动力学： 讨论太阳风与行星磁层的相互作用，形成行星磁层结构。解释磁层亚暴、极光等现象背后的MHD过程。 4.2 磁重联（Magnetic Reconnection）： 详细介绍磁重联的概念，即不同方向磁力线在特定区域发生断裂并重新连接的过程。阐述磁重联在能量释放和粒子加速中的关键作用，并讨论其在太阳活动、等离子体约束等方面的应用。 4.3 磁约束聚变： 介绍利用强磁场约束高温等离子体以实现核聚变的原理。讨论托卡马克、仿星器等装置中MHD稳定性问题，如阿尔芬不稳定性、模不稳定性等。 4.4 地磁场发电机理论： 探讨地核中液态金属的对流运动如何产生并维持地球磁场的MHD发电机机制。 4.5 等离子体物理中的MHD效应： 讨论等离子体在天体物理（如恒星内部、星际介质）和实验室装置中的MHD行为，如等离子体振荡、波的传播等。 第二部分：MHD数值方法与模拟 第五章：MHD方程组的离散化 5.1 有限差分法（Finite Difference Method, FDM）： 介绍如何使用泰勒展开将MHD偏微分方程转化为代数方程组。讨论中心差分、向前差分、向后差分等不同差分格式及其精度。重点分析在处理MHD方程中的空间导数和时间导数时的技巧。 5.2 有限体积法（Finite Volume Method, FVM）： 详细介绍FVM的思想，即将控制方程在空间离散的控制体上进行积分，从而保证守恒性。重点讨论通量计算（如通量分裂、黎曼求解器）在MHD问题中的应用。 5.3 有限元法（Finite Element Method, FEM）： 介绍FEM的基本思想，即使用形函数将待求量在单元内进行近似，并通过变分原理或加权残值法导出代数方程组。讨论FEM在处理复杂几何形状和边界条件时的优势。 5.4 谱方法（Spectral Methods）： 介绍使用全局函数（如傅里叶级数、切比雪夫多项式）来近似解的方法。分析谱方法在求解周期性边界条件和光滑解问题时的极高精度。 5.5 间断伽辽金法（Discontinuous Galerkin Method, DGM）： 介绍DGM的思想，其结合了有限元法的全局连续性与有限体积法的局部守恒性，尤其适用于求解具有激波或间断的MHD问题。 第六章：MHD数值求解技术 6.1 时间推进格式： 介绍显式方法（如前向欧拉、龙格-库塔法）和隐式方法（如后向欧拉、Crank-Nicolson法）的特点。分析其稳定性条件（如Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) 条件）和精度。 6.2 线性方程组的求解： 介绍迭代法（如雅可比迭代、高斯-赛德尔迭代、共轭梯度法）和直接法（如LU分解）在求解大型稀疏线性方程组中的应用。 6.3 磁场约束与无散度条件的处理： 重点讨论在数值计算中如何严格或近似地保持 $ abla cdot mathbf{B} = 0 $ 条件。介绍伪压力法、投影法、修正电场法等多种保持无散度的方法，并分析其优缺点。 6.4 激波捕捉与处理： 讨论MHD问题中常出现的激波现象。介绍人工粘性法、TVD（Total Variation Diminishing）格式、WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory）格式等激波捕捉技术。 6.5 边界条件的处理： 详细讨论在数值模型中实现各种MHD边界条件的策略，包括绝缘壁、导电壁、自由流出、周期边界等。 第七章：MHD数值模拟案例分析 7.1 太阳风与行星际空间的MHD模拟： 介绍如何模拟太阳风的产生、传播以及其与行星磁场的相互作用，展示太阳活动对地球空间环境的影响。 7.2 磁约束聚变装置中的等离子体模拟： 分析托卡马克等离子体中的不稳定性、输运现象以及与包层材料的相互作用。 7.3 天体物理MHD现象的模拟： 如黑洞吸积盘、恒星喷流、星系形成等。 7.4 地球磁层的MHD模拟： 模拟太阳风与磁层耦合、磁重联过程、以及由此引起的空间天气事件。 7.5 工程应用中的MHD模拟： 如磁流体发电机、磁流体泵、导电液体的流动与控制等。 第三部分：MHD的应用领域 第八章：天体物理学中的MHD 8.1 恒星的形成与演化： 解释星际云在引力与磁场共同作用下的坍缩过程。讨论恒星内部的对流与磁场生长的MHD机制。 8.2 太阳物理： 详细分析太阳黑子、耀斑、日冕物质抛射等活动的MHD过程。介绍太阳风的产生机制与传播。 8.3 星系与星际介质： 探讨星系盘中的磁场结构、磁场在星系形成和演化中的作用。分析星际介质的电磁性质与动力学行为。 8.4 活动星系核与喷流： 解释黑洞吸积盘中的MHD过程如何驱动出强大的喷流。 第九章：空间科学与技术中的MHD 9.1 行星际空间环境： 详细研究太阳风、行星磁层、电离层之间的耦合。分析空间天气事件（如地磁暴、辐射带粒子增强）的MHD起源。 9.2 航天器设计与防护： 讨论航天器在空间MHD环境中的受力、加热和粒子辐照问题。为航天器外形设计和屏蔽提供MHD理论依据。 9.3 卫星遥感与探测： 利用MHD原理分析卫星观测到的等离子体、磁场数据，反演空间环境参数。 第十章：核聚变工程中的MHD 10.1 磁约束聚变概念： 深入讲解托卡马克、仿星器等主流磁约束聚变装置的工作原理。 10.2 等离子体稳定性： 详细分析等离子体在强磁场约束下可能发生的各种MHD不稳定性，如MHD稳定性的判据、磁岛的形成与增长。 10.3 等离子体输运： 讨论MHD过程对等离子体能量和粒子输运的影响，以及如何在实验中控制输运。 10.4 材料与等离子体的相互作用： 分析等离子体与装置内壁的相互作用，如剥离、溅射等，并探讨MHD模型在解决这些问题中的作用。 第十一章：其他MHD应用领域 11.1 地球物理学： 深入探讨地核发电机理论，解释地球磁场的起源与演化。分析地磁场对地球环境和生命的影响。 11.2 磁流体发电机与推进： 介绍磁流体发电机（MHD generator）的工作原理，将流体的动能直接转化为电能。探讨磁流体推进技术（MHD thruster）在船舶、潜艇等方面的应用潜力。 11.3 工业过程中的MHD： 如金属冶炼（磁场搅拌）、磁流体密封、磁流体显示等。 11.4 生物医学中的MHD（简述）： 简要提及某些生物体液的电磁特性，以及MHD在相关研究中的初步探索。 结论与展望 本书对电磁流体动力学的基本原理、数值方法和主要应用领域进行了系统的梳理和介绍。MHD作为一个跨学科的研究领域，其理论的深入发展和数值方法的不断革新，正不断推动着我们对宇宙现象和工程技术问题的理解。展望未来，随着计算能力的提升和观测手段的进步，MHD研究将在更多领域展现出其强大的生命力，特别是在能源、空间探索和基础科学研究等方面，将扮演更加重要的角色。 参考文献 （此处将列出本书引用的相关学术专著、期刊论文和会议记录，以供读者深入研究。） 索引 （此处将提供详细的索引，方便读者查找书中关键概念和术语。）

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从语言风格上看，这本书的叙述方式显得非常谨慎和保守，充满了学术性的限定词和严谨的定义。这种风格或许在撰写理论专著时是优点，但在指导实践操作时，却形成了一种障碍。我希望能看到一些经验丰富的工程师在实际犯错后总结出的“陷阱”和“捷径”，一些关于不同EDA厂商工具之间“潜规则”的对比和评价。这本书更像是教科书的后半部分，即“高级选修课”的补充材料，它提供了很多“是什么”和“为什么”，但鲜有“怎么做”和“如何避免”。例如，在处理热管理问题时，我期待看到的是关于如何利用热仿真模块来优化元件布局的实例，比如如何根据功耗分布自动生成散热孔阵列的脚本思路。但书中对此的描述，仅限于热分析的重要性，而缺乏将这种重要性转化为可执行的设计步骤的具体指导，这使得阅读体验更像是在听一场高屋建瓴的讲座，而不是在进行一次手把手的技术辅导。

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这本书的封面设计得非常直观，一眼就能看出它是一本关于现代设计工具的书籍，我原本期望能从中找到一些关于软件操作的深入技巧，毕竟现如今的工程实践中，效率和精度越来越依赖于强大的CAD平台。然而，读完前几章后，我发现内容似乎并没有完全聚焦在某个特定软件的实战应用上，反而更像是一本技术史的概述，或者说是对CAD理念的哲学探讨。书中花了大篇幅来描述从早期的手工绘图到后来的计算机辅助设计，再到参数化设计的发展脉络，这固然有助于建立宏观视野，但对于急需上手解决实际电路布局、仿真模型建立的工程师来说，这些宏大的叙事显得有些空泛和不解渴。我更期待看到关于如何利用软件进行阻抗匹配优化、如何自动化生成BOM清单、或者针对特定复杂封装的布局技巧的案例分析，而不是停留在理论层面。例如，对于高速信号完整性（SI）的分析，书中仅仅是一笔带过，没有深入到如何利用软件的内置工具进行串扰分析和时序预算，这让我感到有些失望，毕竟在现代电子产品设计中，SI已经是不容忽视的核心环节。

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我必须承认，这本书在概念的梳理上确实下了一番功夫，它努力构建了一个完整的CAD生态系统图景。但这种宏大叙事在具体到“电子电路”这个高度专业化且快速迭代的领域时，显得力不从心。例如，当前行业对可制造性设计（DFM）的要求越来越高，软件中的DFM检查模块也越来越复杂，涉及到对最小间距、最小钻孔尺寸以及不同制程能力的细致匹配。我原本期待这本书能提供一些关于如何根据目标制程（比如0402元件的贴装精度、HDI的盲埋孔策略）来定制和优化CAD设计规则集的深度内容。然而，书中对DFM的讨论，停留在需要遵守规则的基本层面，没有触及到如何利用先进的CAD功能去“预先规避”设计错误，从而降低试产成本的实战技巧。最终，我感觉这本书更像是为那些初次接触工程绘图概念的学生准备的入门读物，对于已经在业界摸爬滚打多年的专业人士而言，它提供的增量价值，相对其篇幅而言，略显不足。

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这本书的深度，坦白地说，并没有完全触及我所预期的“电子电路”这个核心领域。与其说它是一本关于电子电路设计的工具书，不如说它是一本关于“通用工程绘图软件如何被应用于电子领域”的引论。我尝试从中寻找关于PCB设计软件特有的功能——比如层叠管理、堆叠结构定义、或者特定的信号处理工具——的详细讲解。然而，我发现书中对这些特定领域的描述非常概括，更像是通用机械CAD思维的移植。举个例子，当涉及到多层板的电源平面和信号层划分时，书中仅仅是展示了一个标准四层板的示意图，却对如何根据不同介电常数、铜厚对整体成本和性能的影响进行权衡分析避而不谈。对于一个需要处理射频（RF）电路或者高密度互连（HDI）设计的读者来说，这种程度的讲解，实在难以满足实际操作层面的需求，更像是在介绍一个工具箱的外部构造，而不是教人如何使用里面的每一种精密工具。

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我拿到这本书时，是带着寻找“瑞士军刀”式的工具书的期望的。我希望它能像一本详尽的操作手册，里面密密麻麻地布满了截图、快捷键列表和“如果你想做A，请点击B，然后输入C”这样的明确指令。实话说，这本书的排版和图示质量确实不错，印刷清晰，图文并茂，但在内容的选择上，它似乎更偏向于学术研究者的视角而非一线设计工程师的视角。比如，它花了大量的篇幅讨论CAD系统中的数据结构、几何建模的数学基础，这些内容对于理解底层原理或许有帮助，但对于日常工作而言，我更关心的是如何快速解决一个浮动的地线问题，或者如何设置一个有效的规则检查（DRC）文件来避免制板错误。书中对设计流程的描述，更像是理想化的蓝图，缺少了实际项目中常遇到的那些“不规则”和“妥协”，比如供应商库的兼容性问题、跨部门协作中的数据交换难题，这些“非技术性”但却极其影响进度的内容，在这本书里几乎没有提及，让人感觉像是生活在真空之中。

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