Quasi-Gas Dynamic Equations (Computational Fluid and Solid Mechanics) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Tatiana G. Elizarova

出品人:

页数:286

译者:

出版时间:2009-06-01

价格:USD 169.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783642002915

丛书系列:

图书标签:

• Computational Fluid Dynamics
• Gas Dynamics
• Solid Mechanics
• Quasi-Gas Dynamic Equations
• Numerical Methods
• Fluid-Solid Interaction
• Mathematical Modeling
• Engineering Analysis
• Heat Transfer
• Compressible Flow

好的，这是一本专注于计算流体与固体力学领域中，探讨等离子体动力学的专著的简介，旨在深入剖析涉及高速、高温环境下的物质输运与反应过程。本书将聚焦于描述高稀疏气体动力学的理论框架与数值方法，特别是那些偏离经典宏观连续介质模型（如Navier-Stokes方程）的物理现象。 --- 书籍名称：高稀疏气体动力学：从玻尔兹曼方程到宏观近似的统一描述 (Non-Equilibrium Gas Dynamics: Unified Descriptions from Boltzmann Equation to Macroscopic Approximations) 出版年份： 2024 作者： [此处预留资深学者姓名] 核心主题与范围 本书旨在为研究人员、高级研究生以及工程师提供一个全面、深入的视角，以理解和模拟稀薄气体动力学（Rarefied Gas Dynamics, RGD）中复杂的能量、动量和物质输运现象。在极端条件下，例如航天器再入、微机电系统（MEMS）中的气流、半导体制造中的等离子体刻蚀、以及高超声速流动，气体分子间的平均自由程显著大于特征长度尺度，导致气体处于非平衡态。传统的连续介质模型失效，必须诉诸于更基础的动力学理论。 本书的结构围绕着从微观分子运动论到宏观平均描述的渐进展开，强调了模型选择的合理性与数值实现的挑战。 第一部分：非平衡态的微观基础与动力学方程 本部分奠定了稀薄气体动力学分析的理论基石。 第一章：分子运动论基础与统计力学回顾 回顾了气体动力学理论的经典成就，如麦克斯韦分布函数的推导。 详细探讨了相空间、概率密度函数（PDF）在描述分子集合行为中的作用。 引入了用于描述气体状态的分布函数 $f(mathbf{x}, mathbf{v}, t)$，并明确了其与宏观可观测量的关系（密度、速度、温度的矩）。 第二章：玻尔兹曼方程（The Boltzmann Equation）的精确表述 本书的核心理论框架是玻尔兹曼积分微分方程。本章详述了该方程的物理意义，特别是碰撞项（Collision Term）的数学结构及其在描述分子间相互作用（如硬球模型、Lennard-Jones势）中的作用。 深入分析了玻尔兹曼方程的数学特性，包括其线性和非线性的挑战，以及在低密度极限下，方程如何保持守恒律（质量、动量、能量）。 讨论了玻尔兹曼方程的H定理及其与熵的产生和不可逆性的关系。 第三章：稀薄效应的量化：克努德森数（Knudsen Number, $Kn$）与松弛时间 系统性地介绍了无量纲化过程，并定义了克努德森数作为衡量稀薄程度的关键参数。 探讨了边界层内外的物理差异，以及分子与固体壁面间的能量和动量交换模型（如完全反射、粘滞反射、以及更复杂的基于物理的反射核）。 第二部分：从玻尔兹曼方程到简化模型 当直接求解高维的玻尔兹曼方程在计算上不可行时，需要利用系统性的近似方法来简化问题。本部分专注于这些降阶模型的推导与应用。 第四章：半群方法与矩展开：Chapman-Enskog 理论 详细阐述了Chapman-Enskog 展开，这是一种基于小扰动近似（低 $Kn$ 数）的系统性方法，用于从玻尔兹曼方程导出宏观守恒律（Navier-Stokes 方程组）。 重点分析了二阶修正项——Burnett 方程，探讨了其在描述高稀疏性流动中超越标准NS模型的物理细节，例如热传导的非傅里叶特性。 讨论了超越Burnett方程的更高阶理论（Grad 的矩展开方法）。 第五章：动力学方程的简化：BGK 与 ES 模型 介绍了基于弛豫假设的简化模型，特别是Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) 模型和Elliptic System (ES) 模型。 对比了这些模型在计算效率与物理准确性上的权衡，尤其是在捕捉流动中的非等温和非平衡效应时，BGK模型如何通过一个单一的松弛参数来近似碰撞项。 第六章：动力学方法的核心：直接模拟蒙特卡洛 (DSMC) 法 DSMC 方法作为求解玻尔兹曼方程的统计模拟技术，在本章占据核心地位。 详细介绍了 DSMC 的基本算法结构、采样技术、时间推进机制、以及如何处理分子间碰撞（例如，概率选择碰撞对、后向向后散射）。 针对复杂几何和化学反应（如解离、复合）的 DSMC 变体进行了深入讨论，强调了其在处理复杂边界条件和多尺度问题时的优势和局限性（如计算稀疏性）。 第三部分：先进的数值方法与多尺度耦合 本部分关注如何高效、准确地求解上述方程组，并将其应用于多物理场耦合问题。 第七章：格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）的动力学视角 虽然 LBM 通常被视为格子法的代表，本章从玻尔兹曼方程的离散化角度切入，解释 LBM 如何通过在离散速度空间上对分布函数进行演化来近似连续玻尔兹曼方程。 讨论了 LBM 在处理非均匀网格、复杂边界以及特定非平衡效应方面的能力与局限性。 第八章：计算挑战与高精度求解器 系统回顾了求解玻尔兹曼方程的确定性数值方法，如谱方法、离散速度方法（Discrete Velocity Methods）。 探讨了处理高维积分和高阶矩计算的高效线性代数技术，例如，如何利用有限元、有限体积方法对玻尔兹曼方程的宏观形式进行空间离散。 第九章：流固耦合与等离子体环境下的输运 本章将讨论稀薄气体动力学与其他物理场的相互作用，特别是在高超声速流动中气动热效应和等离子体动力学的交织。 分析了稀薄气体效应如何影响材料的表面烧蚀、烧蚀产物的输运，以及气体电离过程对流场的影响（如电磁场作用下的分子运动）。 讨论了多尺度耦合策略：如何将精确的 DSMC 结果用于校准边界条件，并将其传递给宏观 CFD 求解器（混合模型）。 总结 本书汇集了稀薄气体动力学领域中从基础理论到前沿计算方法的全部关键要素。它不仅为读者提供了分析非平衡流动的理论工具箱，更强调了在当前工程应用中，如何根据实际的克努德森数范围，审慎地选择最合适的物理模型和数值算法。通过对分子动力学本质的深刻理解，读者将能够解决当前计算流体力学领域中最具挑战性的极端环境问题。

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拿到这本教材，我立刻感觉到一股扑面而来的学术严谨性。它更像是一部面向高年级研究生和专业研究人员的参考手册，而非轻松的周末读物。书中对湍流模型，特别是那些应用于极端条件下的湍流模型，进行了非常深入的探讨，其数学表述的精确度让人印象深刻。我尤其对其中关于离散化误差分析和收敛性判据的部分深感兴趣。作者没有仅仅停留在“如何求解”的层面，而是深入剖析了“如何保证解的正确性与可靠性”这一核心问题。从有限体积法到有限元方法在处理这种非经典流体问题时的适用性和局限性，都有细致的对比。阅读过程需要极大的专注力，因为它充满了张量分析和偏微分方程的推导，但回报是巨大的——你将建立起一个非常坚固的、关于计算流体力学（CFD）理论的知识体系。对于希望从“会用软件”跃升到“理解软件底层逻辑”的严肃学习者而言，这本书是无价之宝。

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我对这本书的实用价值感到非常惊喜。我原本以为它会过于偏向纯理论推导，但事实证明，作者在理论与实际应用之间找到了一个绝佳的平衡点。书中对于数值稳定性的讨论，简直是实战经验的总结。例如，在处理强激波或稀疏区域时，如何选择合适的通量函数和时间步进策略，书中的建议非常具有指导性，避免了许多初学者在实际计算中常遇到的崩溃或震荡问题。它更像是一位资深顾问在耳边指导你如何避免工程陷阱。虽然内容深度要求很高，但我认为，对于那些希望将前沿理论快速转化为可靠计算工具的工业界人士来说，这本书提供了最直接、最清晰的路径图。它不仅仅告诉你“是什么”，更重要的是告诉你“为什么”以及“如何才能做得更好、更稳健”。

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这本书简直是流体力学与计算模拟领域的“圣经”！我最近入手了这本厚重的专著，光是翻阅目录就让人对它的深度和广度有了直观的认识。作者显然是这个领域内浸淫多年的老手，他对“准气体动力学”这一复杂课题的梳理，做到了既有扎实的理论基础，又不乏前沿的数值方法阐述。特别是关于稀薄气体效应和高超声速流动的处理，书中给出的数学模型和边界条件的讨论，清晰得令人赞叹。对于那些正在进行复杂气动外形设计或者研究空间环境流体行为的工程师和研究人员来说，这本书提供了坚实的理论支撑和实用的计算框架。我个人特别欣赏它在推导过程中，对每一步假设和近似的详尽解释，这使得即便是面对复杂的非平衡态流体问题，读者也能步步为营，理解其背后的物理图像。这本书绝不是那种浮光掠影的入门读物，它要求读者具备一定的数学和物理基础，但一旦你掌握了其中的精髓，你在处理相关领域问题时的信心和能力都会有一个质的飞跃。

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说实话，这本书的排版和图示设计确实体现了其专业性，虽然整体风格偏向传统学术著作，但图表质量极高，特别是那些用于说明复杂物理现象和数值格式的示意图，寥寥几笔便能勾勒出问题的要害。我过去在处理界面俘获和相变问题时常感吃力，但这本书中关于处理多相流体力学的章节，提供了非常系统化的框架。它不仅涉及了传统的欧拉-拉格朗日方法，还触及了更先进的介观尺度模拟技术。对于那些需要在不同尺度的物理模型之间进行切换和耦合的研究者来说，这本书提供了必要的数学桥梁。我发现，即便是其中一些看似晦涩的章节，只要结合书中的例证去反推，逻辑链条便会豁然开朗。这绝非那种堆砌公式的教科书，每一项内容都像是作者深思熟虑后精心放置的关键拼图，共同构建了一个宏大而精密的理论大厦。

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这本书的阅读体验，对我而言更像是一场智力上的马拉松。它没有花哨的色彩或过多的商业包装，完全依靠其内容的硬核实力说话。我最欣赏的一点是，作者在介绍新的数值方法时，总是不忘回顾其历史渊源和经典方法的局限性，这使得我们能够站在巨人的肩膀上审视当前的研究热点。特别是在讨论高精度格式如WENO、CWENO等在处理非光滑解时的表现时，书中提供的数学论证非常严谨且具有说服力。对于想要撰写高质量学术论文，或者希望在博士阶段做出突破性工作的学生来说，这本书不仅是知识的来源，更是思维范式的引导者。它塑造了一种严谨的、批判性的研究态度，引导读者去质疑现有模型的边界，并思考如何在新物理背景下发展更具适应性的计算工具。读完它，你会觉得自己的思维框架都被提升到了一个更高的层次。

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