Handbook of Computational Molecular Biology pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:CRC Pr I Llc

作者:Aluru, Srinivas (EDT)

出品人:

页数:1104

译者:

出版时间:

价格:144.95

装帧:HRD

isbn号码:9781584884064

丛书系列:

图书标签:

• Computational Molecular Biology
• Bioinformatics
• Molecular Modeling
• Algorithms
• Data Analysis
• Genomics
• Proteomics
• Systems Biology
• Machine Learning
• Statistical Methods

深入探索计算流体动力学的先驱之作 《计算流体力学导论与高级应用》 （Introduction to and Advanced Applications of Computational Fluid Dynamics） 本书是一部全面、深入探讨计算流体力学（CFD）理论基础、数值方法及其在工程与科学领域广泛应用的权威著作。它旨在为物理学、数学、航空航天工程、机械工程、土木工程以及化学工程等相关专业的学生、研究人员和专业工程师提供一套严谨而实用的知识体系。 本书的结构设计充分考虑了从基础概念到尖端技术的递进学习路径。我们力求在保持数学严谨性的同时，强调物理直觉的培养，确保读者能够真正理解数值模拟背后的驱动力。 第一部分：CFD的理论基石与数学模型（Foundations and Governing Equations） 本部分是全书的理论核心，为后续的数值方法打下坚实的基础。 第一章：流体力学回顾与CFD的引入 本章首先对经典流体力学（控制体理论、流线、涡度、伯努利原理）进行系统回顾，重点梳理了连续介质假设的适用范围。随后，引入了CFD作为求解复杂流体问题的强大工具的必要性。详细阐述了从纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程到更简化模型（如欧拉方程、边界层方程）的推导过程。本章特别关注了不可压缩与可压缩流体的控制方程组的完整形式，并讨论了流场中不同物理现象（如粘性、湍流、传热）在数学模型中的体现。 第二章：偏微分方程的分类与数值处理的挑战 流体力学方程本质上是复杂的非线性偏微分方程组。本章深入剖析了这些方程的数学性质，包括椭圆型、抛物型和双曲型方程的判别，并解释了它们在物理上分别对应稳态问题、扩散过程和波传播现象。重点讨论了N-S方程的混合特性——其对流项（双曲性）与扩散项（抛物性）的耦合给数值求解带来的巨大挑战，尤其是对稳定性和精度的双重考验。本章还引入了守恒律形式的重要性，这是保证数值格式在存在间断（如激波）时依然精确描述物理量的关键。 第二部分：核心数值方法与离散技术（Core Numerical Methods and Discretization） 本部分详细介绍了构建CFD求解器的基本技术，强调了不同方法的适用场景与内在缺陷。 第三章：空间离散化方法：有限差分法（Finite Difference Method, FDM） FDM是CFD发展历程中的重要里程碑。本章系统介绍了FDM的基础，包括泰勒级数展开、前向、后向和中心差分格式的构造及其误差分析（截断误差和收敛性）。我们通过一维对流-扩散方程，对比分析了FDM在处理平流主导问题时可能出现的数值振荡和数值耗散问题。本章还涵盖了高阶差分格式（如五点星、九点星）的构建以及在非结构化或曲线网格上的坐标变换技术。 第四章：有限体积法（Finite Volume Method, FVM）——现代CFD的主流 FVM因其固有的守恒性而被广泛应用于工业CFD。本章从积分形式的守恒律出发，详细解释了体积平均、通量计算（界面通量）以及源项的离散化过程。重点在于对通量近似格式的讨论：迎风格式（Upwind）、中心格式（Central）和高分辨率格式（如MUSCL、QUICK）。我们将深入分析迎风格式在处理对流项时的优点（稳定性）和缺点（数值扩散），并展示如何通过通量限制器（Flux Limiters）技术在保持稳定性的同时恢复高阶精度。 第五章：有限元法（Finite Element Method, FEM）在流体中的应用 虽然FVM在工业界占据主导，但FEM在处理复杂几何边界和高阶精度方面具有独特优势。本章介绍了FEM的基本框架，包括形函数（Shape Functions）、伽辽金法（Galerkin Method）以及网格划分。特别关注了处理不可压缩流体的关键难题——“奇点病”（Spurious Pressure Oscillations）问题，并详细介绍了稳定化技术，如 Petrov-Galerkin 方法和混合有限元方法（Mixed FEM）。 第三部分：压力-速度耦合与时间离散（Pressure-Velocity Coupling and Time Integration） 求解N-S方程的关键在于如何处理压力与速度场之间的耦合关系。 第六章：不可压缩流动的压力校正算法 本章集中讨论了如何将连续性方程（质量守恒）与动量方程结合起来，解决速度场无散度的问题。详细介绍了经典且高效的SIMPLE算法（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations）及其变体（SIMPLEC, PISO）。我们将逐步剖析压力泊松方程的推导、压力-速度修正步的执行，以及迭代收敛性的控制。此外，还将介绍基于耦合算法（Fully Coupled Solvers）的现代方法。 第七章：时间离散化与瞬态模拟 对于涉及时间演变的问题（如涡旋脱落、启动流动），时间积分方案至关重要。本章对比了隐式（Implicit）和显式（Explicit）时间步进方法。详细分析了欧拉法（前向、后向）和龙格-库塔（Runge-Kutta）方法，并讨论了CFL条件（Courant-Friedrichs-Lewy condition）对显式方法稳定性的严格限制。对于隐式方法，本章探讨了其在求解大型代数方程组时的计算效率与内存需求。 第四部分：湍流建模与高级问题求解（Turbulence Modeling and Advanced Topics） 真实世界的大部分工程流动是湍流的。本部分聚焦于如何经济有效地模拟这些复杂的、随机的流动结构。 第八章：湍流模型综述与RANS方法 本章系统介绍了湍流的本质特征。重点讲解了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型的原理，即通过对N-S方程进行时间平均引入雷诺应力项。详细分析了$k-epsilon$模型和$k-omega$模型的物理基础、适用性及其在近壁区处理上的区别与改进（如SST模型）。此外，还将探讨代数湍流模型（如零方程模型）在简单流动中的应用。 第九章：大涡模拟（LES）与直接数值模拟（DNS） 对于需要解析湍流涡结构（如非定常气动噪声、燃烧火焰稳定性）的问题，需要更精细的模拟方法。本章详细阐述了LES的基本思想——对大尺度涡进行直接求解，对小尺度涡进行次网格（Subgrid-Scale, SGS）建模。对几种主要的SGS模型（如Smagorinsky模型）进行批判性分析。最后，简要介绍了DNS的概念、极高的计算需求，以及它在验证和校准RANS/LES模型中的基础性作用。 第十章：网格生成、适应性与后处理 一个高质量的CFD模拟依赖于一个精确的计算网格。本章涵盖了结构化网格、非结构化网格（三角形、四面体）和混合网格的生成技术。深入讨论了边界层网格的特殊要求（$y^+$值的控制）。此外，本章还介绍了网格自适应技术（Adaptive Mesh Refinement, AMR），即根据解的梯度（如激波、涡核）自动加密网格的策略。最后，探讨了CFD结果的工程后处理技术，包括升阻力计算、可视化技术（等值面、矢量图、线积分）以及不确定性量化。 --- 本书特色： 1. 从物理到数学的无缝过渡： 每一数值方法的引入都紧密结合其对应的物理控制方程，避免了纯粹的数学推导或仅停留在软件操作层面。 2. 算法的深度剖析： 对SIMPLE、高分辨率通量格式等核心算法的推导过程进行了详尽的展示，而非仅仅给出公式。 3. 跨学科视野： 强调了CFD在热传导、化学反应流（初步探讨）等附加物理场耦合问题中的应用潜力。 通过系统学习本书内容，读者将不仅掌握使用现代CFD软件的能力，更重要的是，能够理解软件内部求解器的运作机制，从而更科学、更有效地设计和解释复杂的流体力学模拟。

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