格子玻尔兹曼方法：基础与工程应用（附计算机代码） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[加] A.A. Mohamad（穆罕默德·阿卜杜勒马吉德） 著，杨大勇 译

图书标签:

• 格子玻尔兹曼方法
• LBM
• 计算流体力学
• CFD
• 数值模拟
• 工程应用
• 计算机代码
• 物理建模
• 流体动力学
• 多尺度方法
• 科学计算

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121259296

版次：1

商品编码：11706355

包装：平装

开本：16开

出版时间：2015-06-01

用纸：轻型纸

页数：212

正文语种：中文

内容简介

本书是格子玻尔兹曼方法（LBM）方面的一本入门教程。本书从LBM的基本原理和常用模型入手，采用循序渐进的方式，逐步介绍了LBM在扩散、对流-扩散、等温和非等温不可压缩流体流动，以及复杂流动等典型问题中的实际应用。本书提供了全部实例完整的计算机代码（FORTRAN语言编写），针对扩散和对流-扩散问题，还给出了有限差分法和LBM的对比程序和研究结果。全书理论简单，程序结构清晰，实用性强，便于读者学习、调试和应用。

作者简介

杨大勇，南昌大学信息工程学院副教授，主要从事测控技术与仪器专业学科的教学及微机电系统、微流控芯片等方向的科研工作，获得2008年度江西省高等学校科技成果二等奖（项目排名第二）及2013年南昌大学第三届教授授课竞赛二等奖。

目录

目 录
第1章 引言与粒子动力学 1
1．1 引言 2
1．2 动力学理论 4
1．2．1 粒子动力学 4
1．2．2 压力和温度 5
1．3 分布函数 7
第2章 玻尔兹曼方程 15
2．1 玻尔兹曼输运方程 16
2．2 BGKW近似 19
2．3 格子排列 20
2．3．1 一维模型 20
2．3．2 二维模型 21
2．3．3 三维模型 22
2．4 平衡分布函数 23
第3章 扩散方程 25
3．1 扩散方程简介 26
3．2 有限差分近似法 27
3．3 格子玻尔兹曼方法 29
3．4 平衡分布函数 31
3．5 Chapman-Enskog展开 32
3．5．1 归一化和尺度 35
3．5．2 恒温限大板中的热扩散 36
3．5．3 Chapman-Enskog展开的边界条件 37
3．5．4 恒热流密度例子 38
3．6 源或汇 39
3．7 轴对称扩散 40
3．8 二维扩散方程 41
3．8．1 D2Q4 41
3．8．2 D2Q5 42
3．9 边界条件 42
3．9．1 给定边界函数值 43
3．9．2 绝热边界条件 43
3．9．3 恒热流密度边界条件 43
3．10 二维平板中的热扩散 44
3．10．1 D2Q9 45
3．10．2 第一类边界条件 47
3．10．3 恒热流密度边界条件 48
3．11 问题 48
第4章 对流―扩散问题 50
4．1 对流 51
4．2 对流―扩散方程 52
4．2．1 有限差分法 52
4．2．2 格子玻尔兹曼方法 53
4．3 平衡分布函数 55
4．4 Chapman-Enskog展开 56
4．5 二维格子玻尔兹曼方法 61
4．5．1 D2Q4 61
4．5．2 D2Q9 63
4．6 问题 65
4．6．1 多孔介质中的燃烧 65
4．6．2 加热板冷却 66
4．6．3 带有源项的耦合方程 66
第5章 等温不可压缩流体流动 68
5．1 Navier-Stokes方程 69
5．2 格子玻尔兹曼 70
5．3 边界条件 74
5．3．1 反弹格式 75
5．3．2 已知速度边界条件 77
5．3．3 平衡和非平衡分布函数 80
5．3．4 开放边界条件 80
5．3．5 周期性边界条件 81
5．3．6 对称条件 82
5．4 计算机算法 82
5．5 例子 83
5．5．1 方腔流 83
5．5．2 二维通道发展流 84
5．5．3 障碍绕流 87
5．6 涡量－流函数法 93
5．7 六边形格子 94
5．8 问题 94
第6章 非等温不可压缩流体流动 96
6．1 Naiver-Stokes方程和能量方程 97
6．2 强制对流 98
6．3 热方腔流 98
6．4 热通道中的强制对流 100
6．5 流固耦合传热 101
6．6 自然对流 102
6．7 多孔介质中的流动与传热 106
第7章 多松弛格式 107
7．1 多松弛方法（MRT） 108
7．2 问题 110
7．3 双松弛时间（TRT） 111
第8章 复杂流动 112
附录A 计算机代码 114
A．1 扩散问题（第3章） 115
A．1．1 The LBM Code (D1Q2) 115
A．1．2 The FDM Code (1-D) 116
A．1．3 The LBM Code (D2Q4) 117
A．1．4 The FDM Code (2-D) 120
A．1．5 The LBM Code (D2Q9) 123
A．2 对流―扩散问题（第4章） 127
A．2．1 The LBM Code (D1Q2) 127
A．2．2 The FDM Code (1-D) 129
A．2．3 The LBM Code (D2Q4) 130
A．2．4 The FDM Code (2-D) 133
A．2．5 The LBM Code (D2Q9) 136
A．3 等温不可压缩流体流动（第5章） 141
A．4 非等温不可压缩流体流动（第6章） 148
A．4．1 The LBM Code for a heated lid-driven cavity 148
A．4．2 The LBM Code for a forced convection 157
A．4．3 The LBM Code for a natural convection 167
A．5 多松弛格式（第7章） 176
参考文献 186
索引 191

前言/序言

图书简介 书名： 格子玻尔兹曼方法：基础与工程应用（附计算机代码） 内容概述： 本书深入探讨了格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）的理论基础、数值实现及其在各类工程问题中的广泛应用。LBM作为一种新兴的介观尺度模拟技术，以其独特的流体动力学建模方式，在复杂流体流动、多相流、多孔介质渗流以及热/质量输运等领域展现出卓越的优势。本书旨在为读者提供一个全面、系统且具有实践指导性的学习路径，从LBM的基本原理出发，逐步过渡到高级模型和前沿应用。 第一部分：理论基础与方法构建 本书伊始，首先对传统计算流体力学（CFD）方法的局限性进行了概述，并引出了LBM作为替代性方案的必要性。LBM的理论根基——玻尔兹曼方程的离散化形式——被详尽阐述。 1.1 LBM的数学基础： 详细介绍了玻尔兹曼方程的格子形式，包括离散速度空间的构建（如D2Q9, D3Q19等模型）以及碰撞项的数学表述。重点讲解了BGK（ Bhatnagar-Gross-Krook）近似在弛豫时间确定中的作用，并探讨了如何通过控制弛豫时间来调节流体的运动粘度。 1.2 核心算法流程： 系统的介绍了LBM模拟的核心步骤：数据初始化、流体分布函数的演化（包含碰撞和迁移两个子步骤）以及宏观量（如密度、速度和压力）的恢复。通过清晰的数学推导，展示了如何从微观的分布函数恢复出纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，从而验证LBM在宏观层面的有效性。 1.3 边界条件的处理： 边界条件的准确处理是任何数值模拟成功的关键。本书专门辟章论述了LBM中常见的边界处理技术，包括： 周期性边界条件：用于模拟无限域或循环流动。 固壁边界条件：详述了最常用的“平衡态边界条件”和“简易反弹格式”（Bounce-Back Rule）的物理意义和实现细节。 速度入口与压力出口：针对实际工程中的流量控制和压力驱动问题，提供了相应的分布函数重构方法。 第二部分：高级模型与复杂物理现象 在掌握了基础的单相牛顿流体模拟后，本书将焦点转向处理更具挑战性的复杂物理场景，这部分内容极大地扩展了LBM的应用范围。 2.1 多相流模拟： 多相流，尤其是气液、液液界面流动，是LBM的优势领域之一。本书重点介绍了基于自由能泛函（Free-Energy）的LBM方法（如Cahn-Hilliard方程的耦合），以及Lattice-Gas Cellular Automata (LGCA) 的演变。详细阐述了如何通过相场变量（Order Parameter）来精确捕捉界面动力学、表面张力、润湿性以及气泡或液滴的生成与破碎过程。 2.2 多孔介质流动： 在地下水流、油藏工程和过滤技术中，多孔介质流动模拟至关重要。本书利用LBM的网格结构天然契合多孔结构这一特点，解释了如何构建真实或随机的多孔介质几何模型，并计算渗透率、通过率等关键参数。着重分析了非达西流动和颗粒床流动中的流固相互作用。 2.3 非牛顿流体模拟： 针对剪切稀化或剪切增稠流体（如聚合物溶液、泥浆），本书引入了修正的松弛时间或非平衡态分布函数的概念，以准确再现流体粘度随剪切率变化的特性。 2.4 传热传质（热流耦合）： 讨论了如何扩展基础LBM模型以包含能量方程的求解，实现流体与固体之间的热量交换模拟。这涉及双分布函数或扩展的格子模型，用于同时追踪动量和能量的输运过程，是化工反应器和热交换器设计的基础。 第三部分：工程应用与计算实践 本部分将理论与实践紧密结合，展示LBM在实际工程问题中的具体应用案例，并提供了实现这些模型的编程指导。 3.1 算例分析与验证： 通过经典的流体力学基准算例，如Poiseuille流动、Couette流动、圆柱绕流（Karman涡街）等，读者可以验证LBM代码的正确性和精度。本书提供了详细的性能对比，展示LBM在处理高雷诺数或复杂几何体时的效率。 3.2 关键工程案例： 微流控： 在微通道内，LBM能够准确捕获流体在极小尺度下的行为，特别是在颗粒/细胞分离和微混合器设计中的应用。 空气动力学与航空航天： 模拟湍流边界层分离、机翼绕流中的压强分布，以及声学效应的初步分析。 能源技术： 在燃料电池的电解质层中，模拟多孔结构内的气液传输和电化学反应的耦合问题。 3.3 计算机代码实现（附录与配套资源）： 本书的一大特色是提供了实现上述模型的完整计算机代码。代码采用模块化设计，主要基于C/C++语言编写，并辅以Python脚本进行数据后处理。代码结构清晰，注释详尽，重点解释了如何将数学公式直接转化为高效的计算循环。配套资源中将提供不同维度（2D/3D）和不同模型（单相/多相）的源代码库，便于读者进行二次开发和性能优化。 总结： 《格子玻尔兹曼方法：基础与工程应用》不仅是一本教科书，更是一本实用的工具书。它力求在严谨的数学推导和丰富的工程案例之间架起桥梁，帮助科研人员和工程师掌握这一先进的数值模拟工具，解决传统方法难以应对的复杂流动问题。读者在学完本书后，将有能力独立设计和优化LBM求解器，并将其应用于实际的工程挑战中。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字——《格子玻尔兹曼方法：基础与工程应用（附计算机代码）》——就散发着一种“硬核”的学术气息，同时也承诺了实操的便利性。我最近在关注一些新兴的计算模拟技术，LBM由于其在处理复杂边界和多物理耦合方面的独特优势，一直是我研究的焦点。我希望这本书能够提供一个系统性的学习框架，首先从LBM的基本原理入手，比如它如何从宏观的守恒定律出发，建立起微观的概率分布函数，以及各种离散速度模型（如D2Q9）的物理意义和数学推导。我希望作者能够用严谨但不失生动的语言来阐述这些内容，让我能够真正理解LBM的精髓，而不是停留在表面。接下来的“工程应用”部分，我更期待看到LBM是如何被“落地”的。我在制造业领域工作，常常需要模拟一些微观尺度的流动现象，比如在微流控设备中的流体混合、药物输送，或者在多孔介质中的油气开采。如果书中能够提供LBM在这些领域的详细应用案例，并分析其相对于传统方法的优势，那将非常有启发性。而“附计算机代码”这一点，无疑是本书最大的亮点之一。我迫切需要一套能够运行、易于学习和扩展的LBM代码，这样我才能将书本上的知识转化为实际的生产力，从而提升我所在行业的模拟仿真水平。

评分☆☆☆☆☆

我最近在寻找能够帮助我快速掌握复杂计算方法的书籍，而《格子玻尔兹曼方法：基础与工程应用（附计算机代码）》这个书名立即吸引了我的注意。它似乎提供了一个相对完整的学习路径，从方法论的基础讲起，一直延伸到实际的工程应用。我特别关注的是“基础”部分，因为我希望这本书能够为我打下坚实的理论基础，让我理解LBM背后的物理原理和数学框架，而不是仅仅停留在“黑箱”式的操作。如果书中能详细解释D1Q1, D2Q5, D3Q19等不同维度的LBM模型，以及如何选择合适的模型来对应不同的物理问题，那将非常有价值。再者，“工程应用”部分是这本书的另一大亮点，我从事的是材料科学领域，经常需要模拟材料内部的流体渗透、传质过程，甚至是一些复杂的化学反应。如果这本书能够提供关于如何将LBM应用于这些特定工程场景的案例和指导，那将极大地提升我的研究效率。最后，“附计算机代码”这一点简直是锦上添花。我一直觉得学习计算方法，如果没有代码实践，就如同纸上谈兵。如果书中提供的代码质量高，易于移植和修改，并且能够充分体现书中所讲的理论，那么这本书在我看来就是一本不可多得的宝藏，能够帮助我快速地将LBM技术转化为实际的科研工具。

评分☆☆☆☆☆

作为一名初入计算流体力学领域的研究生，我对学习新的数值方法感到既兴奋又有些不知所措。当我在书店看到《格子玻尔兹曼方法：基础与工程应用（附计算机代码）》这本书时，它立刻抓住我的眼球。书名中“格子玻尔兹曼方法”本身就代表着一种新颖而强大的模拟手段，而“基础与工程应用”则暗示了其内容的广度和深度。我尤其看重书中对“基础”的阐述，希望能从中了解到LBM是如何巧妙地从微观的粒子碰撞过程，逐步演化出宏观的Navier-Stokes方程等流体力学基本方程的。如果书中能够清晰地解释LBM的离散化过程、碰撞模型（如BGK模型）以及边界条件的处理方法，那我将受益匪浅。当然，更吸引我的是“工程应用”部分。我在本科阶段接触过一些流体力学问题，但往往受限于传统方法的计算成本和适用范围。如果这本书能展示LBM在实际工程问题中的应用，例如在多孔介质中的流动、微通道内的流体输运，甚至是一些涉及界面复杂性的问题，那将为我打开新的研究思路。而“附计算机代码”则是我选择这本书的关键理由之一，我希望能有一个可运行的代码库，让我能够亲手调试、修改，从而更直观地理解LBM的算法和实现细节，甚至能够将其应用于我自己的毕业设计中。

评分☆☆☆☆☆

我对《格子玻尔兹曼方法：基础与工程应用（附计算机代码）》这本书的期望非常高。首先，从书名来看，它似乎涵盖了LBM方法论的完整图景，从最基础的原理讲解，到实际的工程问题解决方案。我希望书中能够深入地剖析LBM的数学基础，特别是如何通过离散速度模型和碰撞模型来模拟流体行为。我特别关心它如何处理非牛顿流体、多相流等复杂流体动力学现象，这些在实际工程中非常常见，而传统的CFD方法在处理这些问题时常常面临挑战。此外，“工程应用”部分是这本书吸引我的核心。我从事的工业领域，如化工、能源等，对高效、精确的数值模拟工具需求迫切。如果书中能提供LBM在特定工程问题中的成功案例，例如在反应器设计、热交换器优化、污染物扩散模拟等方面的应用，那将是极其宝贵的参考。更重要的是，书中明确提及“附计算机代码”，这对于我来说意味着实操的可能性。我渴望能够获得一套高质量、易于理解和修改的LBM代码，这样我就可以快速地将其应用于我的项目，并根据实际需求进行定制化开发。我希望这些代码能够覆盖书中所介绍的各种算法和应用，并且有清晰的文档说明。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字听起来就很有分量，“格子玻尔兹曼方法：基础与工程应用（附计算机代码）”，光是这几个关键词就足以让我想象到里面会是怎样一本内容扎实、干货满满的著作。我最近一直在关注计算流体力学领域的一些前沿进展，特别是那些能够提供实际操作指导的工具和方法。格子玻尔兹曼方法（LBM）作为一种新兴的数值模拟技术，近年来在多相流、多孔介质流动、微尺度流体等复杂问题的研究中展现出了强大的潜力。我尤其期待书中能够深入浅出地讲解LBM的物理背景和数学理论，比如它如何从微观粒子动力学推导到宏观流体方程，以及不同离散格式的优缺点。更重要的是，书名中明确提到了“工程应用”，这预示着书中不会仅仅停留在理论层面，而是会结合实际的工程问题，比如传热、扩散、化学反应等，来展示LBM是如何被有效地应用于解决实际挑战的。而“附计算机代码”这一点更是直接击中了我的需求，我一直觉得理论学习结合实践操作是最好的学习方式，如果有现成的代码可以参考和修改，那将大大缩短我的学习曲线，让我能够更快地将LBM技术应用到我自己的研究课题中。我希望这些代码是清晰、模块化且易于理解的，最好还能覆盖书中介绍的各种应用场景。总而言之，这本书给我一种“内容全面、理论扎实、实践性强”的期待，希望能从中获得系统性的知识和实用的技能。

评分☆☆☆☆☆

好，赞~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

评分☆☆☆☆☆

书不错，物流很快

评分☆☆☆☆☆

谁叫市面上就这一种呢，要么去买何雅玲的，基于lbm的powerflow还是可以学学的

评分☆☆☆☆☆

试玩程序中，程序有点少。

评分☆☆☆☆☆

还可以。书比较薄，内容比较浅显，算是入门。

评分☆☆☆☆☆

书好

评分☆☆☆☆☆

书不错，很好的入门教材。就是为什么默认是不开发票啊啊啊?

评分☆☆☆☆☆

没办法，LBM本来就是很新的东西

评分☆☆☆☆☆

印刷质量还行