格子玻爾茲曼方法：基礎與工程應用（附計算機代碼） pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[加] A.A. Mohamad（穆罕默德·阿蔔杜勒馬吉德） 著，楊大勇 譯

圖書標籤:

• 格子玻爾茲曼方法
• LBM
• 計算流體力學
• CFD
• 數值模擬
• 工程應用
• 計算機代碼
• 物理建模
• 流體動力學
• 多尺度方法
• 科學計算

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121259296

版次：1

商品編碼：11706355

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2015-06-01

用紙：輕型紙

頁數：212

正文語種：中文

內容簡介

本書是格子玻爾茲曼方法（LBM）方麵的一本入門教程。本書從LBM的基本原理和常用模型入手，采用循序漸進的方式，逐步介紹瞭LBM在擴散、對流-擴散、等溫和非等溫不可壓縮流體流動，以及復雜流動等典型問題中的實際應用。本書提供瞭全部實例完整的計算機代碼（FORTRAN語言編寫），針對擴散和對流-擴散問題，還給齣瞭有限差分法和LBM的對比程序和研究結果。全書理論簡單，程序結構清晰，實用性強，便於讀者學習、調試和應用。

作者簡介

楊大勇，南昌大學信息工程學院副教授，主要從事測控技術與儀器專業學科的教學及微機電係統、微流控芯片等方嚮的科研工作，獲得2008年度江西省高等學校科技成果二等奬（項目排名第二）及2013年南昌大學第三屆教授授課競賽二等奬。

目錄

目 錄
第1章 引言與粒子動力學 1
1．1 引言 2
1．2 動力學理論 4
1．2．1 粒子動力學 4
1．2．2 壓力和溫度 5
1．3 分布函數 7
第2章 玻爾茲曼方程 15
2．1 玻爾茲曼輸運方程 16
2．2 BGKW近似 19
2．3 格子排列 20
2．3．1 一維模型 20
2．3．2 二維模型 21
2．3．3 三維模型 22
2．4 平衡分布函數 23
第3章 擴散方程 25
3．1 擴散方程簡介 26
3．2 有限差分近似法 27
3．3 格子玻爾茲曼方法 29
3．4 平衡分布函數 31
3．5 Chapman-Enskog展開 32
3．5．1 歸一化和尺度 35
3．5．2 恒溫限大闆中的熱擴散 36
3．5．3 Chapman-Enskog展開的邊界條件 37
3．5．4 恒熱流密度例子 38
3．6 源或匯 39
3．7 軸對稱擴散 40
3．8 二維擴散方程 41
3．8．1 D2Q4 41
3．8．2 D2Q5 42
3．9 邊界條件 42
3．9．1 給定邊界函數值 43
3．9．2 絕熱邊界條件 43
3．9．3 恒熱流密度邊界條件 43
3．10 二維平闆中的熱擴散 44
3．10．1 D2Q9 45
3．10．2 第一類邊界條件 47
3．10．3 恒熱流密度邊界條件 48
3．11 問題 48
第4章 對流―擴散問題 50
4．1 對流 51
4．2 對流―擴散方程 52
4．2．1 有限差分法 52
4．2．2 格子玻爾茲曼方法 53
4．3 平衡分布函數 55
4．4 Chapman-Enskog展開 56
4．5 二維格子玻爾茲曼方法 61
4．5．1 D2Q4 61
4．5．2 D2Q9 63
4．6 問題 65
4．6．1 多孔介質中的燃燒 65
4．6．2 加熱闆冷卻 66
4．6．3 帶有源項的耦閤方程 66
第5章 等溫不可壓縮流體流動 68
5．1 Navier-Stokes方程 69
5．2 格子玻爾茲曼 70
5．3 邊界條件 74
5．3．1 反彈格式 75
5．3．2 已知速度邊界條件 77
5．3．3 平衡和非平衡分布函數 80
5．3．4 開放邊界條件 80
5．3．5 周期性邊界條件 81
5．3．6 對稱條件 82
5．4 計算機算法 82
5．5 例子 83
5．5．1 方腔流 83
5．5．2 二維通道發展流 84
5．5．3 障礙繞流 87
5．6 渦量－流函數法 93
5．7 六邊形格子 94
5．8 問題 94
第6章 非等溫不可壓縮流體流動 96
6．1 Naiver-Stokes方程和能量方程 97
6．2 強製對流 98
6．3 熱方腔流 98
6．4 熱通道中的強製對流 100
6．5 流固耦閤傳熱 101
6．6 自然對流 102
6．7 多孔介質中的流動與傳熱 106
第7章 多鬆弛格式 107
7．1 多鬆弛方法（MRT） 108
7．2 問題 110
7．3 雙鬆弛時間（TRT） 111
第8章 復雜流動 112
附錄A 計算機代碼 114
A．1 擴散問題（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 對流―擴散問題（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 等溫不可壓縮流體流動（第5章） 141
A．4 非等溫不可壓縮流體流動（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 多鬆弛格式（第7章） 176
參考文獻 186
索引 191

前言/序言

圖書簡介 書名： 格子玻爾茲曼方法：基礎與工程應用（附計算機代碼） 內容概述： 本書深入探討瞭格子玻爾茲曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）的理論基礎、數值實現及其在各類工程問題中的廣泛應用。LBM作為一種新興的介觀尺度模擬技術，以其獨特的流體動力學建模方式，在復雜流體流動、多相流、多孔介質滲流以及熱/質量輸運等領域展現齣卓越的優勢。本書旨在為讀者提供一個全麵、係統且具有實踐指導性的學習路徑，從LBM的基本原理齣發，逐步過渡到高級模型和前沿應用。 第一部分：理論基礎與方法構建 本書伊始，首先對傳統計算流體力學（CFD）方法的局限性進行瞭概述，並引齣瞭LBM作為替代性方案的必要性。LBM的理論根基——玻爾茲曼方程的離散化形式——被詳盡闡述。 1.1 LBM的數學基礎： 詳細介紹瞭玻爾茲曼方程的格子形式，包括離散速度空間的構建（如D2Q9, D3Q19等模型）以及碰撞項的數學錶述。重點講解瞭BGK（ Bhatnagar-Gross-Krook）近似在弛豫時間確定中的作用，並探討瞭如何通過控製弛豫時間來調節流體的運動粘度。 1.2 核心算法流程： 係統的介紹瞭LBM模擬的核心步驟：數據初始化、流體分布函數的演化（包含碰撞和遷移兩個子步驟）以及宏觀量（如密度、速度和壓力）的恢復。通過清晰的數學推導，展示瞭如何從微觀的分布函數恢復齣納維-斯托剋斯（Navier-Stokes）方程，從而驗證LBM在宏觀層麵的有效性。 1.3 邊界條件的處理： 邊界條件的準確處理是任何數值模擬成功的關鍵。本書專門闢章論述瞭LBM中常見的邊界處理技術，包括： 周期性邊界條件：用於模擬無限域或循環流動。 固壁邊界條件：詳述瞭最常用的“平衡態邊界條件”和“簡易反彈格式”（Bounce-Back Rule）的物理意義和實現細節。 速度入口與壓力齣口：針對實際工程中的流量控製和壓力驅動問題，提供瞭相應的分布函數重構方法。 第二部分：高級模型與復雜物理現象 在掌握瞭基礎的單相牛頓流體模擬後，本書將焦點轉嚮處理更具挑戰性的復雜物理場景，這部分內容極大地擴展瞭LBM的應用範圍。 2.1 多相流模擬： 多相流，尤其是氣液、液液界麵流動，是LBM的優勢領域之一。本書重點介紹瞭基於自由能泛函（Free-Energy）的LBM方法（如Cahn-Hilliard方程的耦閤），以及Lattice-Gas Cellular Automata (LGCA) 的演變。詳細闡述瞭如何通過相場變量（Order Parameter）來精確捕捉界麵動力學、錶麵張力、潤濕性以及氣泡或液滴的生成與破碎過程。 2.2 多孔介質流動： 在地下水流、油藏工程和過濾技術中，多孔介質流動模擬至關重要。本書利用LBM的網格結構天然契閤多孔結構這一特點，解釋瞭如何構建真實或隨機的多孔介質幾何模型，並計算滲透率、通過率等關鍵參數。著重分析瞭非達西流動和顆粒床流動中的流固相互作用。 2.3 非牛頓流體模擬： 針對剪切稀化或剪切增稠流體（如聚閤物溶液、泥漿），本書引入瞭修正的鬆弛時間或非平衡態分布函數的概念，以準確再現流體粘度隨剪切率變化的特性。 2.4 傳熱傳質（熱流耦閤）： 討論瞭如何擴展基礎LBM模型以包含能量方程的求解，實現流體與固體之間的熱量交換模擬。這涉及雙分布函數或擴展的格子模型，用於同時追蹤動量和能量的輸運過程，是化工反應器和熱交換器設計的基礎。 第三部分：工程應用與計算實踐 本部分將理論與實踐緊密結閤，展示LBM在實際工程問題中的具體應用案例，並提供瞭實現這些模型的編程指導。 3.1 算例分析與驗證： 通過經典的流體力學基準算例，如Poiseuille流動、Couette流動、圓柱繞流（Karman渦街）等，讀者可以驗證LBM代碼的正確性和精度。本書提供瞭詳細的性能對比，展示LBM在處理高雷諾數或復雜幾何體時的效率。 3.2 關鍵工程案例： 微流控： 在微通道內，LBM能夠準確捕獲流體在極小尺度下的行為，特彆是在顆粒/細胞分離和微混閤器設計中的應用。 空氣動力學與航空航天： 模擬湍流邊界層分離、機翼繞流中的壓強分布，以及聲學效應的初步分析。 能源技術： 在燃料電池的電解質層中，模擬多孔結構內的氣液傳輸和電化學反應的耦閤問題。 3.3 計算機代碼實現（附錄與配套資源）： 本書的一大特色是提供瞭實現上述模型的完整計算機代碼。代碼采用模塊化設計，主要基於C/C++語言編寫，並輔以Python腳本進行數據後處理。代碼結構清晰，注釋詳盡，重點解釋瞭如何將數學公式直接轉化為高效的計算循環。配套資源中將提供不同維度（2D/3D）和不同模型（單相/多相）的源代碼庫，便於讀者進行二次開發和性能優化。 總結： 《格子玻爾茲曼方法：基礎與工程應用》不僅是一本教科書，更是一本實用的工具書。它力求在嚴謹的數學推導和豐富的工程案例之間架起橋梁，幫助科研人員和工程師掌握這一先進的數值模擬工具，解決傳統方法難以應對的復雜流動問題。讀者在學完本書後，將有能力獨立設計和優化LBM求解器，並將其應用於實際的工程挑戰中。

評分☆☆☆☆☆

我最近在尋找能夠幫助我快速掌握復雜計算方法的書籍，而《格子玻爾茲曼方法：基礎與工程應用（附計算機代碼）》這個書名立即吸引瞭我的注意。它似乎提供瞭一個相對完整的學習路徑，從方法論的基礎講起，一直延伸到實際的工程應用。我特彆關注的是“基礎”部分，因為我希望這本書能夠為我打下堅實的理論基礎，讓我理解LBM背後的物理原理和數學框架，而不是僅僅停留在“黑箱”式的操作。如果書中能詳細解釋D1Q1, D2Q5, D3Q19等不同維度的LBM模型，以及如何選擇閤適的模型來對應不同的物理問題，那將非常有價值。再者，“工程應用”部分是這本書的另一大亮點，我從事的是材料科學領域，經常需要模擬材料內部的流體滲透、傳質過程，甚至是一些復雜的化學反應。如果這本書能夠提供關於如何將LBM應用於這些特定工程場景的案例和指導，那將極大地提升我的研究效率。最後，“附計算機代碼”這一點簡直是錦上添花。我一直覺得學習計算方法，如果沒有代碼實踐，就如同紙上談兵。如果書中提供的代碼質量高，易於移植和修改，並且能夠充分體現書中所講的理論，那麼這本書在我看來就是一本不可多得的寶藏，能夠幫助我快速地將LBM技術轉化為實際的科研工具。

評分☆☆☆☆☆

作為一名初入計算流體力學領域的研究生，我對學習新的數值方法感到既興奮又有些不知所措。當我在書店看到《格子玻爾茲曼方法：基礎與工程應用（附計算機代碼）》這本書時，它立刻抓住我的眼球。書名中“格子玻爾茲曼方法”本身就代錶著一種新穎而強大的模擬手段，而“基礎與工程應用”則暗示瞭其內容的廣度和深度。我尤其看重書中對“基礎”的闡述，希望能從中瞭解到LBM是如何巧妙地從微觀的粒子碰撞過程，逐步演化齣宏觀的Navier-Stokes方程等流體力學基本方程的。如果書中能夠清晰地解釋LBM的離散化過程、碰撞模型（如BGK模型）以及邊界條件的處理方法，那我將受益匪淺。當然，更吸引我的是“工程應用”部分。我在本科階段接觸過一些流體力學問題，但往往受限於傳統方法的計算成本和適用範圍。如果這本書能展示LBM在實際工程問題中的應用，例如在多孔介質中的流動、微通道內的流體輸運，甚至是一些涉及界麵復雜性的問題，那將為我打開新的研究思路。而“附計算機代碼”則是我選擇這本書的關鍵理由之一，我希望能有一個可運行的代碼庫，讓我能夠親手調試、修改，從而更直觀地理解LBM的算法和實現細節，甚至能夠將其應用於我自己的畢業設計中。

評分☆☆☆☆☆

我對《格子玻爾茲曼方法：基礎與工程應用（附計算機代碼）》這本書的期望非常高。首先，從書名來看，它似乎涵蓋瞭LBM方法論的完整圖景，從最基礎的原理講解，到實際的工程問題解決方案。我希望書中能夠深入地剖析LBM的數學基礎，特彆是如何通過離散速度模型和碰撞模型來模擬流體行為。我特彆關心它如何處理非牛頓流體、多相流等復雜流體動力學現象，這些在實際工程中非常常見，而傳統的CFD方法在處理這些問題時常常麵臨挑戰。此外，“工程應用”部分是這本書吸引我的核心。我從事的工業領域，如化工、能源等，對高效、精確的數值模擬工具需求迫切。如果書中能提供LBM在特定工程問題中的成功案例，例如在反應器設計、熱交換器優化、汙染物擴散模擬等方麵的應用，那將是極其寶貴的參考。更重要的是，書中明確提及“附計算機代碼”，這對於我來說意味著實操的可能性。我渴望能夠獲得一套高質量、易於理解和修改的LBM代碼，這樣我就可以快速地將其應用於我的項目，並根據實際需求進行定製化開發。我希望這些代碼能夠覆蓋書中所介紹的各種算法和應用，並且有清晰的文檔說明。

評分☆☆☆☆☆

這本書的名字——《格子玻爾茲曼方法：基礎與工程應用（附計算機代碼）》——就散發著一種“硬核”的學術氣息，同時也承諾瞭實操的便利性。我最近在關注一些新興的計算模擬技術，LBM由於其在處理復雜邊界和多物理耦閤方麵的獨特優勢，一直是我研究的焦點。我希望這本書能夠提供一個係統性的學習框架，首先從LBM的基本原理入手，比如它如何從宏觀的守恒定律齣發，建立起微觀的概率分布函數，以及各種離散速度模型（如D2Q9）的物理意義和數學推導。我希望作者能夠用嚴謹但不失生動的語言來闡述這些內容，讓我能夠真正理解LBM的精髓，而不是停留在錶麵。接下來的“工程應用”部分，我更期待看到LBM是如何被“落地”的。我在製造業領域工作，常常需要模擬一些微觀尺度的流動現象，比如在微流控設備中的流體混閤、藥物輸送，或者在多孔介質中的油氣開采。如果書中能夠提供LBM在這些領域的詳細應用案例，並分析其相對於傳統方法的優勢，那將非常有啓發性。而“附計算機代碼”這一點，無疑是本書最大的亮點之一。我迫切需要一套能夠運行、易於學習和擴展的LBM代碼，這樣我纔能將書本上的知識轉化為實際的生産力，從而提升我所在行業的模擬仿真水平。

評分☆☆☆☆☆

這本書的名字聽起來就很有分量，“格子玻爾茲曼方法：基礎與工程應用（附計算機代碼）”，光是這幾個關鍵詞就足以讓我想象到裏麵會是怎樣一本內容紮實、乾貨滿滿的著作。我最近一直在關注計算流體力學領域的一些前沿進展，特彆是那些能夠提供實際操作指導的工具和方法。格子玻爾茲曼方法（LBM）作為一種新興的數值模擬技術，近年來在多相流、多孔介質流動、微尺度流體等復雜問題的研究中展現齣瞭強大的潛力。我尤其期待書中能夠深入淺齣地講解LBM的物理背景和數學理論，比如它如何從微觀粒子動力學推導到宏觀流體方程，以及不同離散格式的優缺點。更重要的是，書名中明確提到瞭“工程應用”，這預示著書中不會僅僅停留在理論層麵，而是會結閤實際的工程問題，比如傳熱、擴散、化學反應等，來展示LBM是如何被有效地應用於解決實際挑戰的。而“附計算機代碼”這一點更是直接擊中瞭我的需求，我一直覺得理論學習結閤實踐操作是最好的學習方式，如果有現成的代碼可以參考和修改，那將大大縮短我的學習麯綫，讓我能夠更快地將LBM技術應用到我自己的研究課題中。我希望這些代碼是清晰、模塊化且易於理解的，最好還能覆蓋書中介紹的各種應用場景。總而言之，這本書給我一種“內容全麵、理論紮實、實踐性強”的期待，希望能從中獲得係統性的知識和實用的技能。

評分☆☆☆☆☆

學習的好材料！

評分☆☆☆☆☆

書不錯，很好的入門教材。就是為什麼默認是不開發票啊啊啊?

評分☆☆☆☆☆

應該是正版的，印刷也很清晰

評分☆☆☆☆☆

發貨還算比較快，書應該是正版

評分☆☆☆☆☆

講解過於簡單。不適閤初學者。

評分☆☆☆☆☆

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紙張的質量還可以吧。送貨的小哥很好，直接給送到傢。

評分☆☆☆☆☆

不錯，是正品，會繼續支持京東！

評分☆☆☆☆☆

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