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出版者:

作者:Peinemann, Klaus-viktor (EDT)/ Nunes, Suzana Pereira (EDT)

出品人:

页数:304

译者:

出版时间:2008-2

价格:1737.00 元

装帧:

isbn号码:9783527314812

丛书系列:

图书标签:

• 膜技术
• 分离过程
• 膜分离
• 水处理
• 化工工程
• 环境工程
• 材料科学
• 生物技术
• 能源
• 工业应用

复杂系统中的流体动力学与界面现象：超越传统膜技术的新视角 书籍名称：《复杂系统中的流体动力学与界面现象：超越传统膜技术的新视角》 图书简介 本书深入探讨了在高度复杂和非线性系统中流体动力学行为与界面物理化学现象的相互作用，旨在为读者提供一个超越传统分离科学（如经典膜技术）范畴的、更具前瞻性的理解框架。我们聚焦于那些传统分析方法难以有效描述的微观到宏观尺度的跨尺度耦合问题，尤其关注系统自组织、动态平衡的建立与破坏过程。 第一部分：复杂流体系统的基础理论与建模 本部分首先回顾了经典连续介质力学在处理各向异性、时变系统时的局限性。随后，本书引入了描述复杂流体行为的先进工具。 第一章：非牛顿流体的本构关系与时空演化 本章详细考察了剪切变稀、剪切增稠、粘弹性流体在不同应力条件下的响应特性。我们着重分析了高分子溶液、胶体悬浮液以及活体组织等典型复杂流体在复杂几何构型（如弯曲通道、多孔介质）中的流动特性。重点讨论了基于自由体积理论和 Rouse 模型对粘弹性行为的微观解释，并引入了基于张量分析的非线性本构方程，用以精确捕捉流场中的应力不平衡状态。内容涵盖了对瑞利-泰勒不稳定性在粘性梯度驱动下的演化路径分析，以及如何通过外部场（如电场或磁场）对流变性进行实时调控。 第二章：随机过程在微观动力学中的应用 针对宏观描述失效的介观尺度问题，本章转向随机动力学方法。我们系统介绍了朗之万方程在描述布朗运动和非平衡态热力学中的应用。特别地，本书详细阐述了格林函数方法在预测粒子在湍流或具有空间限制性环境下的扩散路径上的优势。内容包括福克-普朗克方程的推导及其在高密度系统中粒子间相互作用的引入，并展示了如何通过蒙特卡洛模拟来重构系统的时间演化轨迹，特别是对于那些受热力学涨落显著影响的低能耗过程。 第三章：非等温、多相体系的相场建模 本章聚焦于涉及相变的复杂系统。我们采用了相场方法（Phase-Field Method）来连续描述固-液、液-气或不同液相间的界面演化。详细讨论了 Cahn-Hilliard 理论及其在描述材料的微观结构形成（如析晶、相分离）中的应用，并扩展到涉及化学反应驱动的相变（如化学梯度对界面移动的耦合影响）。书中专门辟出一节来探讨在强梯度热流场下，界面能和迁移率的非线性依赖关系，这对于理解高通量过程中的局部过热和材料失效至关睹。 第二部分：界面物理化学与跨尺度耦合 本部分的核心在于揭示流体动力学与界面特性之间复杂的反馈机制，这是许多先进功能材料和生物系统中性能瓶颈的关键所在。 第四章：动态界面张力的调控与能量耗散 本书超越了传统的杨-拉普拉斯平衡概念，深入研究了在剪切和浓度梯度共同作用下界面张力的动态变化。我们利用密度泛函理论（DFT）与分子动力学模拟相结合的方法，探究了表面活性剂分子在动态吸附过程中的构象变化及其对界面粘弹性的贡献。重点分析了由Marangoni效应驱动的自驱动微观结构，并量化了在这些非平衡界面处的能量耗散率，为设计高效、低能耗的界面过程提供了理论基础。 第五章：孔隙结构中的电动力学与离子输运 本章聚焦于具有高度结构化孔道（如生物体内的微管网络或人造纳米通道）内的电化学过程。详细分析了电渗流（Electroosmosis）与离子迁移率在狭窄空间内的耦合效应。讨论了表面电荷密度、双电层结构厚度与宏观体积流之间的关系，并引入了电荷调控的流体输运模型。书中特别关注了在存在非均匀电场时，离子电泳如何影响颗粒在复杂介质中的沉降与分散，这对于理解电化学储能材料的性能衰减机制至关重要。 第六章：生物物理中的分子机器与主动物质 本章将前述的物理学原理应用于活体系统。我们将细胞骨架、细菌群体视为具有自驱动力的“主动物质”（Active Matter）。通过建立基于活化相场的模型，我们描述了肌动蛋白丝网络的动态重构过程如何影响细胞的形态变化和运动轨迹。此外，本书还深入分析了在流体驱动下，病毒颗粒或药物载体如何在复杂的组织基质中进行高效的随机游走和定向运输，强调了流体力学环境对生物分子功能实现的决定性作用。 第三部分：前沿应用中的系统集成与反馈控制 本部分旨在将理论框架应用于解决实际工程和科学难题，强调多物理场耦合下的系统级优化。 第七章：多孔介质中的非线性传质与反应耦合 本章针对高度非均匀孔隙结构中的污染物迁移问题。我们结合随机网络模型和多尺度平均方法，描述了对流、扩散与非均相反应在微孔隙尺度上的相互反馈。书中通过实验验证，揭示了在不同流速下，反应速率的有效放大或抑制效应，这与经典的菲克定律和阿伦尼乌斯关系偏离的程度进行了量化比较。讨论了如何利用脉冲式流动策略来优化多孔催化反应器的转化率。 第八章：跨尺度模拟的计算方法与挑战 本章探讨了求解上述复杂模型所需的先进数值技术。重点介绍了介观尺度的玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）在处理复杂边界条件和多相流体问题上的优势，并对比了其与有限元法在处理高精度界面问题时的计算成本。书中还探讨了数据驱动的建模方法，如何利用深度学习网络来替代高昂的第一性原理计算，以预测复杂流体系统的宏观响应。 结语：通往复杂系统工程的新路径 本书总结了当前研究中尚未解决的关键挑战，例如如何精确描述多尺度界面上的能量转换效率，以及如何从第一性原理出发，设计出具有预期动态响应能力的“智能”复杂流体系统。本书的最终目标是引导研究人员超越单一物理场的孤立分析，转向多场耦合、时空非线性的系统集成思维，为材料科学、生物工程以及能源系统的创新提供坚实的理论基础。

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