非线性动力学丛书14：液体大幅晃动动力学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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岳宝增 著

图书标签:

• 非线性动力学
• 流体力学
• 晃动动力学
• 液体动力学
• 数学物理
• 工程应用
• 复杂系统
• 动力系统
• 数值模拟
• 物理学

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030324481

版次：1

商品编码：12044313

包装：平装

丛书名： 非线性动力学丛书

开本：16开

出版时间：2011-10-01

用纸：胶版纸

页数：255

字数：323000

正文语种：中文

内容简介

　　《非线性动力学丛书14：液体大幅晃动动力学》详细介绍基于有限元方法的自由液面任意的拉格朗日-欧拉描述（arbitrary Lagrange-Euler，ALE）跟踪技术，采用Galerkin方法详细推导了ALE分步有限元计算方法的系统控制方程和有限元离散方程.鉴于液体晃动动力学在航天器动力学领域中的重要应用，《非线性动力学丛书14：液体大幅晃动动力学》对于微重力环境下液体大幅晃动问题进行了深入研究，借助现代微分几何理论建立了复杂边界条件下的自由液面追踪问题描述.具有二维及三维数值仿真算例和理论分析结果，揭示了液体大幅晃动动力学的重要非线性特性，并附有二维大幅晃动计算机仿真程序.《非线性动力学丛书14：液体大幅晃动动力学》是由作者长期从事此领域研究及承担国家自然科学基金项目的科研成果凝练而成的；体系完整、内容丰富，《非线性动力学丛书14：液体大幅晃动动力学》对充液航天器动力学研究具有重要的理论及应用价值。
　　《非线性动力学丛书14：液体大幅晃动动力学》的主要读者对象是高等学校力学、应用数学、航空航天及其他相关专业的高年级大学生与研究生，以及从事液体大幅晃动、流-固耦合系统与流-固-控耦合系统等研究的教师和科学技术工作者。

内页插图

目录

《非线性动力学丛书》序
前言

第1章 流体力学中的有限元方法
1．1 概述
1．2 流体动力学控制方程
1．3 初始条件和边界条件详述
1．4 Galerkin有限元方法
1．5 对流问题的流线迎风有限元方法
1．6 注记

第2章 分步有限元方法计算格式
2．1 基本方程
2．2 数值离散近似公式
2．3 速度势函数修正分步格式
2．4 速度修正分步格式
2．5 直接计算压力分步格式
2．6 速度迭代修正格式
2．7 注记

第3章 自由液面流动问题的ALE描述方法
3．1 自由液面追踪方法
3．2 ALE描述下的运动学关系
3．3 ALE描述下的流体动力学方程
3．4 ALE网格的速度确定及网格更新
3．5 自由液面上结点法向矢量的数值算法
3．6 注记

第4章 求解带自由液面黏性流动的ALE有限元方法
4．1 ALE流线迎风有限元方法
4．2 ALE描述下Navier—Stokes方程的速度修正格式
4．3 ALE分步有限元方法
4．4 注记

第5章 液体晃动的基本理论简介
5．1 液体晃动的基本方程
5．2 自由液面晃动的变分公式
5．3 储腔类液体自由晃动简介
5．4 储腔类液体强迫晃动简介
5．5 储腔类微重力液体晃动简介
5．6 液体晃动等效力学模型研究
5．7 液体晃动的被动及主动控制问题研究
5．8 注记

第6章 液体大幅晃动数值仿真研究
6．1 求解液体大幅晃动问题的数值方法评述
6．2 非惯性坐标系中ALE描述的Navier—Stokes方程
6．3 作用于储腔的液动压力与力矩的计算
6．4 二维液体非线性大幅晃动算例与结果分析
6．5 三维液体非线性大幅晃动算例与结果分析
6．6 带防晃隔板储腔中液体大幅晃动数值模拟
6．7 注记

第7章 微重力环境下液体非线性晃动动力学
7．1 微重力环境下静液面数值仿真
7．2 空间曲面上的基本微分量
7．3 表面张力的有限元数值计算
7．4 微重力环境下三维液体非线性晃动数值模拟
7．5 注记

第8章 液体大幅晃动与结构运动耦合问题研究
8．1 流体域及结构运动基本方程
8．2 耦合系统液—固接触面约束条件
8．3 液—固耦合系统动力学方程
8．4 数值计算、分析与结论
8．5 注记
8．6 结语
参考文献

附录
附录一 空间微分几何基础理论简介
附录二 二维液体大幅晃动计算机数值仿真程序

前言/序言

　　带有自由液面液体大幅晃动问题的研究在数学上涉及求解Navier-Stokes方程等的初边值问题。由于方程是非线性的，自由液面的位置未知，并且自由液面边界条件也是复杂的非线性方程，这个问题的有关研究和求解是相当困难的，在合乎工程要求、保持实际物理意义的条件下，采用液体晃动问题的简化模型，即液体晃动的线性化模型：液体是理想不可压流体，而且假定液体的晃动是微幅的，再加上抑制晃动和管理措施后，虽然可以得到具有实际意义、在一定的工况下满足工程应用要求的结果，但由于线性简化，实际流体运动的非线性效应被忽略了，而这些非线性效应在一定情况下表现得非常强烈。
　　要完成长时间及复杂的飞行任务，现代航天器需要携带更多的发动机液体燃料。以美国航空航天管理局（NASA）1997年发射的Cassini航天器为例，其携带的液体推进剂质量为3100kg，占航天器总质量的60%;2004年Cassini航天器与土星交会，目前仍处于良好状态并超期在轨运行，航天器在变轨、交会、对接及装配过程中，液体推进剂可能会产生剧烈的晃动；根据外激励频率及腔体的几何形状不同，液体自由面可能会产生诸如面外晃动、旋转、非规则拍振、伪周期运动及混沌等复杂的非线性运动，由此所产生的晃动力及晃动力矩对整体系统动力学具有显著影响。尽管液体大幅晃动持续的时间可能较短，但其危害性却远远超过微幅晃动，可能导致储液结构完全失效（破坏）和使航天器姿态失控。因此工程应用上需要深入研究液体大幅晃动问题。
　　在美国西南研究院从事晃动动力学及相关研究达50年之久的资深专家H.Nor-man Abramson教授指出，在低重力环境下，晃动动力学在两种情况下的动力学行为尤为值得关注：其一是航天器交会对接过程；其二是航天器姿态控制推进器启动点火过程，我国著名航天器姿态动力学与控制学者吴宏鑫院士指出：在液体远地点发动机工作期间，液体晃动和由燃料消耗引起的动力学特性的变化是航天器姿态控制的重大难题。实践表明：即使少量燃料（1.2kg）的非线性行为也足以引起灾难性的后果，这是最终导致美国试验5号卫星ATS-V（453kg）航天器失踪的主要因素。最近一次文献公开报道的航天器事故，是美国航空航天管理局的“近地号”太空探测器（Near Earth Asteroid Rendezvous，NEAR）1998年在对433“爱神”（433Eros）小卫星探测过程中所发生的，最终使得此次探测使命向后延迟了13个月。而美国的空间10号卫星SpaceX在2007年由于其中一个燃料腔中的推进剂晃动导致了发射任务的失败。星载控制系统传感器传出数据表明以上所发生的一系列事故均是由燃料晃动诱发大于预期的横向加速度所致。

好的，以下是基于您提供的图书信息，为您撰写的另一本虚构图书的详细简介，旨在避免提及“液体大幅晃动动力学”及其相关内容，并力求文字自然、专业： --- 理论物理前沿：量子场论的路径积分表述与高能散射 书籍简介 本书深入探讨了现代理论物理学的核心支柱之一——量子场论（Quantum Field Theory, QFT）的路径积分表述方法，并聚焦于其在描述高能粒子散射过程中的实际应用与理论进展。本书面向具有扎实高等数学基础和初步量子力学背景的研究生、博士后研究人员以及致力于理论物理前沿探索的资深学者。 核心主题与结构 本书结构严谨，逻辑清晰，旨在提供一个从基础概念到尖端应用的全景式视角。全书共分为七个主要章节，辅以详尽的附录和大量的参考文献。 第一部分：路径积分表述的数学基础与物理内涵 第一章：经典场论回顾与量子化的过渡 本章首先对经典场论，特别是拉格朗日密度形式下的正则量子化方法进行了系统性的回顾。随后，引入了费曼的路径积分概念，强调其在处理复杂约束系统和非微扰效应方面的优越性。我们将详细阐述路径积分的数学定义，包括对实时间与欧几里得时间路径积分的辨析，并探讨路径积分与正则对易关系之间的深刻联系。重点分析了经典作用量在路径积分中的核心地位。 第二章：自由场的路径积分与关联函数 本章致力于构建最简单的模型——自由标量场和自由狄拉克场。我们将详细推导自由场的配分函数（Partition Function）和N点关联函数（N-point Correlation Functions）的路径积分表达式。针对高斯积分技巧在处理这些积分中的关键作用，本章进行了详尽的论述，并引入了泛函微分为计算生成泛函（Generating Functional）的方法。读者将在此章中掌握利用路径积分计算物理可观测量的基本工具。 第二部分：相互作用场论与重整化 第三章：相互作用的引入与微扰展开 将相互作用项（Interaction Term）引入拉格朗日密度是构建描述真实粒子的量子场论的关键步骤。本章聚焦于S矩阵元（S-Matrix Elements）的路径积分计算。通过戴森级数（Dyson Series）的展开，我们将路径积分转化为费曼图（Feynman Diagrams）的微积分表述。详细讲解了费曼规则（Feynman Rules）是如何从路径积分中系统性地推导出来的，特别是针对$phi^4$理论和量子电动力学（QED）的初步介绍。 第四章：发散的处理与重整化群 高阶微扰展开必然导致无穷大——紫外发散（UV Divergences）。本章是本书的难点与核心之一，详细介绍了处理这些发散的系统性方法。我们将深入探讨两种主要的重整化方案：常规正则化（如截断）和维度正则化（Dimensional Regularization）。重点分析了“重整化”的概念，即通过定义物理的、可观测的参数来吸收这些无穷大。此外，本书将引入重整化群（Renormalization Group, RG）的概念，阐释有效场论（Effective Field Theory）的视角，并讨论跑动耦合常数（Running Coupling Constants）的物理意义。 第三部分：高能散射的路径积分应用 第五章：色散关系与洛奇定理 在高能物理中，散射截面（Scattering Cross Sections）的计算至关重要。本章连接了路径积分计算的格林函数与物理可观测的散射振幅。详细阐述了斯蒂尔吉斯定理（Stieglitz Theorem）在路径积分框架下的重新表述，以及色散关系（Dispersion Relations）如何对散射过程施加约束。本章将通过$2 o 2$散射过程的实例，演示如何从关联函数过渡到物理上的梅林变换（Mellin Transform）结构。 第六章：高阶微扰计算与特定过程 本章侧重于将前述工具应用于更复杂的物理场景。我们将详细分析高阶费曼图的计算技巧，特别是对圈图（Loop Integrals）的处理，如利用费曼参数和维空间积分技巧。选取的案例包括高能$ ext{QCD}$中的$ ext{Jet}$形成过程的初步分析，以及$ ext{QED}$中电子-电子对散射（Bhabha Scattering）的高阶修正。本书将强调如何识别并计算主要的紫外和红外（Infrared）发散及其物理意义。 第七章：非微扰路径积分方法前瞻 尽管本书主要基于微扰理论，但本章简要介绍了处理非微扰效应的现代工具。这包括对瞬子（Instanton）解的路径积分理解，特别是它们在夸克禁闭（Confinement）和真空结构中的潜在作用。同时，简要展望了格子场论（Lattice Field Theory）中路径积分的数值实现方法，为读者指明未来的研究方向。 附录 附录部分提供了详细的数学工具箱，包括：欧几里得空间与闵可夫斯基空间的转换、$ ext{Fierz}$恒等式、常用高斯积分的详细推导、以及各种常见场论拉格朗日密度的汇总。 本书的特色 本书的显著特点在于其对路径积分方法的内在一致性和物理完备性的强调。我们避免了仅仅将路径积分视为正则量子化的替代品，而是将其视为一种更基础、更具规范性（Covariant）的量子理论构造框架。书中大量的例题和习题（附带详细解题思路）旨在巩固读者的理论理解和计算能力。本书对于理解规范场论（Gauge Theories）和弦理论（String Theory）的构造原理也具有不可替代的铺垫作用。 ---

评分☆☆☆☆☆

我最近刚读完一本关于液体大幅晃动的书，虽然书名看起来有点专业，但我被里面的内容深深吸引了。它不是那种枯燥的理论堆积，而是以一种非常直观的方式，将那些看似复杂的物理现象呈现在我面前。书里用了大量的图例和模拟动画，让我能够清晰地看到液体在容器内运动的各种轨迹，从最基本的振荡到更复杂的涡旋和破碎。我尤其喜欢书中关于“自由液面”的探讨，它详细解释了表面张力、重力以及惯性力在塑造液面形状和运动中的作用。作者通过几个经典的实验案例，比如水箱晃动时的能量耗散，以及液体在旋转容器中的行为，一步步引导我们理解非线性动力学在实际问题中的应用。读这本书的过程，就像在进行一场精彩的物理实验，只不过所有操作都在我的脑海里完成，而且比真实的实验更加安全和可控。书中的数学模型虽然存在，但作者似乎有意将其隐藏在现象的背后，更多地是通过定性的描述和形象的比喻来传达核心概念，这对于非物理专业背景的我来说，简直是福音。整体而言，这本书成功地将抽象的物理理论与生动的物理现象联系起来，让我对液体动力学的理解达到了一个新的高度。

评分☆☆☆☆☆

这本书给了我一种“拨云见日”的感觉，让我对液体晃动这个看似简单的现象有了更深刻、更全面的认识。作者在书中以一种非常独特的方式，将复杂的非线性动力学理论娓娓道来。我非常喜欢书中对“分岔”和“混沌吸引子”的讲解，作者通过精妙的图例和通俗易懂的语言，将这些抽象的概念形象化，让我能够直观地理解液体运动状态的突变以及其不可预测性。书中还涉及了一些与我们日常生活息息相关的例子，比如游泳池里的水波、汽车里的燃油晃动，甚至是大气中的气流变化，这些都让我觉得物理学离我们并不遥远。作者在讲解过程中，并没有回避数学工具，但却能将其巧妙地融入到对物理现象的阐释中，使得数学不再是阻碍，而是理解现象的有力工具。这本书让我开始用一种全新的视角去观察和思考周围的世界，也让我对物理学的魅力有了更深的体会。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验可以说是“身临其境”的。作者在书中营造了一种强烈的“现场感”，仿佛我正站在实验室里，亲眼观察着那些液体在容器中翻滚、跳跃、甚至变形。书中的案例分析非常详尽，涵盖了从简单的方形水箱到复杂的自由表面流动，每一种情况都进行了深入的剖析。我特别喜欢书中对于“表面波”的讲解，作者用生动的语言解释了表面张力、重力以及液体的粘性如何共同作用，形成各种波的形态，从简单的周期性波纹，到不规则的破碎浪花，都描绘得淋漓尽致。更让我惊叹的是，书里还涉及了一些更前沿的研究方向，比如液体在高速运动中的非线性效应，以及如何利用动力学模型来预测和控制液体的行为。虽然这些内容听起来有些高深，但作者通过大量的数据图表和直观的物理模型，将它们解释得非常易于理解。这本书不仅让我增长了知识，更激发了我对流体力学研究的浓厚兴趣，让我开始思考，那些看似平凡的液体，背后隐藏着多么深邃的物理规律。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的感觉就像是走进了一个奇妙的流体世界，那些平时被我们忽略的、关于液体运动的细微之处，在这里被放大、被解析，变得异常精彩。作者以一种近乎诗意的笔触，描绘了液体晃动的各种形态，从平静水面上的微小涟漪，到巨浪滔天的壮观景象，都仿佛在我眼前活灵活现。我印象最深刻的是关于“混沌”理论在液体晃动中的体现，书中通过一些巧妙的实验设计，展示了即使是微小的初始扰动，也能在液体运动中引发截然不同的结果，这让我对“蝴蝶效应”有了更深刻的感悟。此外，书中对“阻尼”和“共振”的讲解也十分到位，通过生动的例子，比如桥梁因为风力引起的晃动，以及乐器中声波的传播，我才真正理解了这些概念的实际意义。作者在讲解过程中，并没有回避复杂的数学公式，但却很巧妙地将其与直观的物理图像结合，使得即使不擅长数学的我，也能从中汲取营养，理解其中的奥秘。这本书让我开始重新审视日常生活中的各种液体现象，仿佛打开了一扇新的大门，看到了一个更加丰富多彩的物理世界。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我感觉自己对“晃动”这个词有了全新的认识。它不再仅仅是简单的摇摆，而是蕴含着复杂而迷人的动力学规律。作者在书中巧妙地将理论与实践相结合，通过大量的实验数据和模拟结果，揭示了液体大幅晃动过程中所遵循的非线性法则。我特别欣赏书中对“相空间”和“吸引子”的介绍，虽然概念听起来有些抽象，但作者通过直观的图示和生动的比喻，让我能够清晰地理解液体运动轨迹的演化过程，以及其最终趋于稳定的状态。书中的一些章节，还探讨了液体晃动在工程领域中的应用，比如船舶的稳定性、桥梁的抗震设计，以及航空航天中的燃料晃动问题，这些都让我看到了理论研究与实际工程之间紧密的联系。作者在讲解过程中，并没有一味地追求数学的严谨，而是更加注重物理概念的清晰传达，这对于我这样的非专业读者来说，极大地降低了阅读门槛。总而言之，这是一本非常值得推荐的书，它不仅拓宽了我的视野，更让我对液体动力学产生了浓厚的兴趣。