Quantized Partial Differential Equations pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Prastaro, A.

出品人:

页数:500

译者:

出版时间:

价格:$ 81.36

装帧:HRD

isbn号码:9789812387646

丛书系列:

图书标签:

• 偏微分方程
• 量子化
• 数值分析
• 科学计算
• 数学物理
• 有限元
• 谱方法
• 机器学习
• 深度学习
• 优化算法

书籍名称：《流体力学前沿探索：从理论基础到复杂系统模拟》 作者： [此处留空，模仿专业书籍的格式] 出版社： [此处留空，模仿专业书籍的格式] --- 卷首语 本书旨在为高等院校的物理、工程、数学及计算科学等专业的高年级本科生、研究生以及相关领域的科研人员，提供一套全面而深入的流体力学前沿知识体系。我们深知，现代流体力学已远超经典的层流与湍流范畴，它日益深入地与材料科学、环境工程、生物物理等领域交织，对复杂多相流、非牛顿流体以及极端条件下的动力学行为提出了更高的理论和计算要求。本书的创作初衷，正是为了填补现有教材中对这些新兴领域讲解深度不足的空白，并强调从基本原理出发，构建稳健的数值模型和高效的计算策略。 --- 第一部分：流体力学基本原理的深化与扩展 (The Deepening of Foundational Principles) 第一章：连续介质力学的严谨回归 本章首先对欧拉方程、纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations）进行复习与深入剖析。重点探讨了流体运动的描述框架——拉格朗日与欧拉描述的切换机制，以及物质导数（Material Derivative）在描述流体微团演化中的核心作用。我们超越了简单的边界条件设定，详细考察了非正交坐标系下张量形式的动量方程推导，特别是球坐标系和柱坐标系中，惯性力项的精确表达，这对于处理旋转系统和轴对称问题至关重要。 第二章：热力学与输运过程的耦合 流体的运动往往伴随着能量和物质的传递。本章聚焦于包含热传导和扩散效应的广义动量方程。我们详细讨论了菲克扩散定律（Fick's Law）和傅里叶定律（Fourier's Law）在流体环境中的适用性。特别引入了普朗特数（Prandtl Number）和施密特数（Schmidt Number）的物理意义，并探讨了在高温或高压条件下，流体输运系数（如粘度、热导率）的温度和压力依赖性模型，这对于超燃冲压发动机或行星大气模拟至关重要。 第三章：拓扑结构与拓扑不变量在流场中的体现 本章引入拓扑学概念来分析流场的结构特性。着重讲解了涡旋动力学（Vortex Dynamics），包括赫姆霍兹涡旋定理的严格证明及其在理想流体中的守恒性。随后，深入探讨了拓扑缺陷（Topological Defects）在液晶流体或磁流体中的作用，以及流线拓扑分析（Streamline Topology Analysis）如何识别鞍点、节点和环点，从而精确描绘复杂分离区域的内部结构。 --- 第二部分：复杂流体模型与本构关系 (Complex Fluid Models and Constitutive Relations) 第四章：非牛顿流体的广义粘性描述 本章完全脱离了牛顿流体的线性粘性假设。我们系统地介绍了幂律流体（Power-Law Fluids）、宾汉塑性流体（Bingham Plastics）以及剪切增稠/剪切稀化流体的本构方程。数学上，重点分析了粘度张量（Viscosity Tensor）的非线性形式，并讨论了Reiner-Rivlin方程和Walters粘弹性模型在描述高分子溶液和浆液流动中的优越性。 第五章：多相流动的界面动力学 多相流是工程实践中最普遍的挑战之一。本章侧重于界面现象的建模。我们详细阐述了表面张力（Surface Tension）的微观来源，并引入了杨-拉普拉斯方程（Young-Laplace Equation）的修正形式以考虑曲率变化。在气液两相流中，本章深入解析了气泡动力学（Bubble Dynamics），特别是泡核生成、增长和溃灭过程中的 Rayleigh-Plesset 方程的精确求解策略。 第六章：磁流体力学（MHD）与电磁场的耦合 针对等离子体和液态金属流动，本章构建了磁流体力学方程组。详细讲解了法拉第感应定律与纳维-斯托克斯方程的耦合方式。重点分析了阿耳芬波（Alfvén Waves）的传播特性，以及在强磁场下，霍尔效应（Hall Effect）对电导率和动量方程的影响。此外，还涉及了磁通量冻结定理（Flux Freezing Theorem）的物理图像和适用边界。 --- 第三部分：先进数值模拟技术与计算方法 (Advanced Numerical Simulation Techniques) 第七章：经典有限差分法的局限性与现代迭代 本章回顾了有限差分法（FDM）在处理复杂几何和高精度要求时的不足。随后，重点介绍了有限体积法（FVM）在守恒性保证方面的优势，并详细推导了二维和三维对流-扩散方程的FVM离散格式。针对高雷诺数流动，我们深入探讨了迎风格式（Upwind Schemes）与高分辨率格式（High-Resolution Schemes）（如MUSCL）之间的权衡。 第八章：网格生成与自适应网格技术 (Adaptive Mesh Refinement, AMR) 精确捕捉流动中的激波、薄壁层或界面需要局部高分辨率。本章系统讲解了结构化网格、非结构化网格以及四面体网格的生成技术。核心内容是自适应网格加密（AMR）的算法实现，包括基于梯度误差估计、曲率指标或物理量阈值的网格加密/粗化准则，并讨论了如何在非均匀网格上保证数值通量的正确计算。 第九章：求解大型稀疏线性系统的迭代求解器 求解离散化的流体方程最终归结为求解巨大的、通常是非对称的稀疏线性系统。本章避开简单的雅可比迭代，专注于Krylov子空间方法，如GMRES和双共轭梯度法（BiCGSTAB）。针对对称正定系统，详细分析了共轭梯度法（CG）的收敛性。最后，重点探讨了预处理器（Preconditioners）的设计，特别是代数多重网格（AMG）方法在加速大规模流体求解器中的应用。 第十章：瞬态问题的求解策略与时间离散化 对于依赖时间的流动问题，时间积分方案的选择至关重要。本章比较了显式（如Runge-Kutta族）和隐式（如Crank-Nicolson、Backward Euler）方法的稳定性和精度。在处理刚性（Stiff）问题时，我们详细讨论了分裂式算法（Fractional Step Methods），如Projection Method，用于将速度和压力的求解解耦，并分析了隐式求解中的非线性牛顿迭代的收敛性控制。 --- 第四部分：应用案例与前沿课题 (Case Studies and Emerging Topics) 第十一章：湍流模型与大涡模拟（LES）的精细化 本章不再停留在雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型（如$k-epsilon$或$k-omega$），而是聚焦于更精细的模拟技术。详细介绍亚网格尺度（Subgrid-Scale, SGS）模型的构建，包括经典的Smagorinsky模型及其修正形式。探讨动态SGS模型的原理，以及如何利用谱方法进行大涡模拟（LES），并分析其在气动噪声预测中的潜力。 第十二章：微尺度流动与稀薄气体动力学 在半导体制造、微机电系统（MEMS）中，流体不再是连续介质。本章引入克努曾数（Knudsen Number）的概念，探讨从流体模型失效的区域。重点介绍玻尔兹曼方程（Boltzmann Equation）的离散化求解，特别是离散速度模型（DSMC）方法的原理、实现细节及在稀薄气体环境中的应用。 第十三章：生物流体与弹性体相互作用（FSI） 生物医学工程中的血液流动、心脏瓣膜的动力学，要求流体与弹性固体的耦合求解。本章讨论流固耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）的数值耦合策略，包括单向耦合和双向（或强）耦合。重点分析了浸入式边界法（Immersed Boundary Method, IBM）在处理运动边界和复杂几何体方面的优势，并结合生物血管壁的非线性弹性模型进行实例分析。 --- 结论与展望 本书力求在理论的深度和计算的广度之间搭建坚实的桥梁。我们相信，通过对这些前沿理论和高级数值方法的系统掌握，读者将能够独立面对和解决当今工程与科学领域中最具挑战性的流体力学难题。未来的研究将继续向更高维度、更复杂的本构关系以及更强的跨学科融合发展，本书提供的工具箱将是您迈向这一未来的重要基石。

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