水力学数学模型 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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许唯临 著

图书标签:

• 水力学
• 数学模型
• 水文模型
• 数值计算
• 流体力学
• 工程应用
• 计算流体力学
• 水资源
• 环境工程
• 模型构建

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030259974

版次：31

商品编码：12316930

包装：精装

丛书名： 水科学数学模型丛书

开本：16开

出版时间：2018-02-01

页数：364

正文语种：中文

内容简介

本书分为上、下两部分。上半部分主要介绍紊流及伴随紊流运动发生的传热、传质问题的数学模型。首先介绍了紊流及其数学描述中的一些相关知识，然后详细介绍了描述紊流运动的基本方程；介绍了求解基本方程的各类紊流模型，其中较详细地介绍κ－ε模型、雷诺应力代数方程模型和微分方程模型；详细介绍了数值求解过程及其相关方法。下半部分主要介绍针对不同对象的专题模型。其中包括溃坝洪水模型、渗流模型、复式河槽水流模型、弯道水流模型和求解双曲型方程的特征线法等。本次修订主要补充工程应用实例。

水利工程中的数学建模：从理论到实践 书籍简介 本书并非一本关于“水力学数学模型”本身的书籍，而是深入探讨如何在水利工程的各个领域应用数学建模的理论与实践。本书旨在为水利工程师、研究人员以及对水利工程数学分析感兴趣的学生提供一套系统性的方法论和工具箱。我们不关注特定模型公式的推导，而是着重于理解不同工程问题所蕴含的物理过程，并以此为基础，选择、构建、求解、验证和应用合适的数学模型，以指导工程设计、优化运行、风险评估和决策支持。 核心内容 全书围绕“问题诊断—模型选择—模型构建—模型求解—模型验证—模型应用—模型优化”这一核心流程展开。 第一部分：水利工程问题的数学化思维 在实际的水利工程问题中，往往存在各种不确定性、非线性和复杂性。本部分将引导读者如何将这些复杂的工程场景转化为数学语言。我们将从以下几个方面入手： 现象的本质梳理： 任何工程问题的背后，都遵循着一定的物理规律。我们将强调如何识别和提炼出问题的核心物理过程，例如流体流动、水化学反应、泥沙输移、地下水渗流、水体污染物扩散等。 简化与假设的艺术： 现实世界往往过于复杂，无法直接用数学方程完美描述。本部分将教授读者如何根据工程目的和精度要求，对问题进行恰当的简化和合理的假设，从而构建可解的模型。我们将讨论不同程度简化所带来的影响，以及如何在精确性和可计算性之间找到平衡。 变量与参数的识别： 任何模型都离不开输入变量、状态变量和输出变量。本部分将指导读者如何准确地识别模型中的关键变量，并理解它们之间的相互关系。同时，也将阐述参数的意义，以及如何获取或估算这些参数。 尺度问题与多尺度耦合： 水利工程问题往往涉及不同的空间和时间尺度，从微观的孔隙流到宏观的流域径流，从瞬时的水力冲击到长期的气候变化影响。本部分将探讨如何处理这些尺度差异，以及如何进行多尺度模型的耦合，以获得更全面的认识。 第二部分：模型选择的智慧 面对五花八门的水利工程问题，选择一个恰当的数学模型是成功的关键。本部分将提供一个基于工程问题特性和应用目的的决策框架。 物理模型与经验模型的辩证： 我们将深入分析基于物理定律（如纳维-斯托克斯方程、达西定律）构建的物理模型，以及基于观测数据统计得到的经验模型。在什么情况下，哪种模型更具优势？本书将通过大量实例分析，展示它们的适用范围和局限性。 数值模型方法的分类与选择： 随着计算能力的提升，数值模型已成为解决复杂水利工程问题的强大工具。本部分将系统介绍有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法以及基于格点、不规则网格和无网格等不同数值离散方法的特点、优缺点及其在不同问题中的应用场景。 模型库与开源工具的利用： 许多成熟的水利工程数学模型已经开发完成并广泛应用。本部分将介绍一些常用的模型库和开源软件（如HEC-RAS, MIKE by DHI, Delft3D, OpenFOAM等），并指导读者如何根据自身需求进行选择和集成，避免重复造轮子。 过程导向与数据驱动模型： 在大数据时代，数据驱动模型（如机器学习、人工智能）在水利工程中的应用越来越广泛。本部分将探讨过程导向模型与数据驱动模型如何协同工作，发挥各自优势，例如利用数据驱动方法优化物理模型的参数，或用物理模型解释数据驱动模型的预测结果。 第三部分：模型构建与求解的艺术 一旦选定了模型类型，接下来就需要进行具体的模型构建和求解。本部分将深入探讨模型方程的建立、离散化以及数值求解策略。 离散化技术的精讲： 本部分将详细讲解不同数值方法的离散过程，如何将偏微分方程转化为代数方程组。我们将通过具体的二维和三维算例，演示如何进行网格生成、边界条件处理以及源项的离散。 数值求解器的选择与优化： 代数方程组的求解是数值模型的核心。本部分将介绍迭代法、直接法等常用求解器的原理、适用条件和性能比较。同时，也将探讨如何通过预条件、并行计算等技术来加速求解过程。 耦合模型的设计与实现： 许多复杂的水利工程问题需要耦合多个子模型才能解决，例如水动力与水质耦合、水流与泥沙耦合、地表水与地下水耦合。本部分将指导读者如何进行耦合模型的时空同步、信息传递和求解策略设计。 不确定性传播与敏感性分析： 工程模型往往受输入参数和初始条件的不确定性影响。本部分将介绍如何进行不确定性分析（如蒙特卡洛模拟）和敏感性分析，以评估模型输出的可靠性，并识别对结果影响最大的因素。 第四部分：模型验证与不确定性评估 构建模型只是第一步，确保模型的准确性和可靠性至关重要。本部分将聚焦于模型验证的科学方法和不确定性评估的技术。 验证数据的获取与处理： 真实可靠的观测数据是模型验证的基础。本部分将讨论不同类型观测数据的特点（如流量、水位、水温、污染物浓度等），以及如何进行数据的预处理、质量控制和有效利用。 模型验证的指标与方法： 如何量化模型的模拟精度？本部分将介绍一系列常用的模型验证指标，如均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）、决定系数（R²）等，并讨论不同指标的适用场景。同时，也将介绍留空法、交叉验证等模型验证策略。 模型校准的原则与技巧： 模型校准是缩小模型预测与观测数据之间差距的关键步骤。本部分将阐述模型校准的基本原则，并介绍自动校准与手动校准相结合的策略，以及常用的校准算法（如区域缩小法、遗传算法等）。 模型不确定性的来源与评估： 模型不确定性来源于模型结构、参数以及输入数据的误差。本部分将深入探讨这些不确定性的来源，并介绍如何通过后验分布、置信区间等方法来量化模型的不确定性。 第五部分：模型应用与决策支持 最终，数学模型是为了解决实际工程问题，并为决策提供科学依据。本部分将展示模型在水利工程各个领域的广泛应用，并探讨如何将模型结果转化为可操作的决策建议。 水动力模拟与洪水预报： 本部分将深入探讨如何利用水动力模型模拟河流、湖泊、水库等水体的流动过程，并将其应用于洪水预报、溃坝分析、排洪优化等场景。 水环境与水质模拟： 我们将讲解如何构建水质模型，模拟污染物在水体中的传输、转化和衰减过程，从而为饮用水源保护、污水排放控制、富营养化治理等提供决策支持。 泥沙运动与河道演变模拟： 泥沙输移是影响河道形态和水利工程运行的重要因素。本部分将介绍如何利用泥沙模型模拟河道冲刷、淤积过程，并应用于河道治理、水库清淤、航道维护等方面。 地下水流动与污染扩散模拟： 本部分将聚焦于地下水模型，模拟地下水的赋存、流动和相互作用，以及污染物在地下水中的迁移扩散，为地下水资源开发利用、地下水污染防治等提供科学依据。 流域综合模型与管理： 水利工程往往需要考虑整个流域的尺度。本部分将介绍如何构建流域综合模型，集成水文、水动力、水质、泥沙等多个子模型，以实现流域水资源、水环境和水生态的综合管理。 模型在风险评估与应急响应中的作用： 本部分将探讨如何利用数学模型评估极端事件（如洪水、干旱、滑坡）的潜在风险，并为制定应急预案、指导应急响应提供科学支持。 本书特色 注重工程实践： 本书紧密结合实际工程问题，通过大量的案例分析，展示数学模型的实际应用价值。 强调方法论： 我们不局限于介绍某个具体的模型，而是提供一套通用的解决问题的思维框架和方法论。 理论与实践并重： 在讲解数学模型基本原理的同时，也强调数值计算和软件应用。 面向读者广泛： 适合不同层次的水利工程从业人员、研究人员和学生，帮助他们提升解决复杂工程问题的能力。 本书将引导读者掌握一套强大的工具，用数学的语言去理解、分析和解决水利工程中的各种挑战，为建设更安全、更可持续的水利工程贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我最大的启发在于，它打破了我对水力学研究的刻板印象。我一直以为水力学就是关于水的流动和力的作用，是比较“硬核”的学科。但这本书让我看到，数学在其中扮演的角色是如此关键和精妙。作者将抽象的数学语言转化为描述水体运动的“密码”，并且能够通过这些“密码”来解读自然现象，甚至预测未来。我尤其对书中关于非牛顿流体在水利工程中的应用感到新奇，作者通过引入复杂的本构方程，来描述这些流体的独特行为，这让我看到了数学模型在解决非标准问题上的强大能力。这本书让我认识到，数学不仅仅是计算工具，更是理解和改造世界的语言。

评分☆☆☆☆☆

这本书的参考文献部分也给我留下了深刻的印象。作者列举了大量的国内外经典著作和前沿研究论文，这不仅体现了作者扎实的学术功底，也为读者提供了进一步深入学习的宝贵资源。我注意到，作者在正文中引用某些理论或模型时，都会清晰地标注其来源，这使得读者在遇到感兴趣的内容时，能够方便地追溯到原始文献。这种严谨的学术态度，也让我对书中内容的可靠性有了极大的信心。对于我来说，这本书不仅仅是一个知识的载体，更是一扇通往更广阔学术海洋的门户，它激发了我主动去探索和学习的欲望。

评分☆☆☆☆☆

这本书为我提供了一个全新的视角来理解水文学。我之前对水文学的认知大多停留在宏观的降雨径流模型，而这本书则将我带入了一个更为精细化的领域——数学模型。作者详细阐述了如何将水文学的各种过程，例如蒸发、渗透、地下水流动等，转化为一系列数学方程和算法。我被书中关于地下水流动的模型构建过程深深吸引，作者通过对达西定律的讲解，以及如何将其推广到多孔介质中的复杂流动，让我对地下水运动有了更为深入的理解。他还介绍了各种参数的识别方法，以及模型校准和验证的重要性。这让我意识到，水文学的研究不仅仅是观测和记录，更是通过严谨的数学工具，去量化和预测自然现象。这本书极大地拓宽了我的视野，让我看到了一个更为科学和系统化的水文学研究体系。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计我一开始就被吸引了。封面采用了深邃的蓝色调，仿佛是平静而又蕴藏着巨大力量的水体，上面印着烫金的“水力学数学模型”几个大字，庄重而不失学术气息。当我翻开它时，纸张的质感也相当不错，厚实而略带哑光，手感温润，即使长时间翻阅也不会觉得疲劳。扉页的设计简洁大方，没有过多冗杂的装饰，直奔主题，让人感受到一种严谨的治学态度。书脊的印刷清晰，即使摆放在书架上，也能一眼找到它。我特别喜欢的是，它在一些重要的概念和公式旁，使用了略微不同的字体或底纹，这不仅增加了视觉上的层次感，也方便了我快速抓住重点。整体而言，这本书从外在的呈现，就给我一种物有所值的感觉，它不仅仅是一本传递知识的书，更像是一件值得珍藏的艺术品，散发着知识的魅力和对读者的尊重。这种用心的设计，在如今快餐式的信息传播时代，显得尤为难得，它让我对书中即将展开的知识内容充满了期待，仿佛已经预见到了一场思想的盛宴。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我惊喜的是它对数学模型在水利工程实际应用案例的深度挖掘。我原以为它会更侧重于理论的推导和数学公式的讲解，但没想到作者在书中穿插了大量真实的项目案例，从大江大河的治理，到城市供水的优化，再到地下水资源的开发利用，几乎涵盖了水利工程的各个方面。对于每一个案例，作者都详细分析了其面临的挑战，如何运用特定的数学模型来分析和解决问题，以及模型预测结果与实际情况的对比。我尤其对书中关于溃坝模拟的部分印象深刻，作者通过一个具体的案例，详细介绍了如何利用数值模型来预测溃坝洪水演进的路径和影响范围，并在此基础上制定应急预案。这种理论与实践的紧密结合，让我深刻体会到了数学模型在保障人民生命财产安全方面所起到的关键作用。它不仅仅是一堆冰冷的数字和公式，更是解决现实世界复杂问题的有力工具。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我对“模型”这个概念有了更深层次的认识。我一直以为数学模型只是用来计算和预测的工具，但这本书让我意识到，模型更是对复杂事物的一种抽象和简化，它能够帮助我们抓住事物的本质，忽略不必要的干扰。在水力学领域，这本书通过不同的模型，展现了作者如何将宏观的水体运动，细腻到微观的颗粒物传输，再到复杂的流体动力学现象。我尤其欣赏作者在讲解这些模型时，对于其背后物理机制的深入剖析。他不会简单地给出公式，而是会详细解释每一个变量的含义，以及它们之间是如何相互作用的。这种对模型“灵魂”的挖掘，让我不仅学会了如何“使用”模型，更学会了如何“理解”模型，以及如何根据实际情况“创造”新的模型。

评分☆☆☆☆☆

我非常欣赏书中对不同尺度水体运动建模的阐述。作者从宏观的流域水文模型，到中观的河流动力学模型，再到微观的湍流模型，层层递进，展现了不同尺度下水体运动的独特性以及建模方法的演变。对于宏观的流域水文模型，我了解到如何将降雨、蒸发、径流等过程整合到一个统一的框架下进行模拟；对于中观的河流动力学模型，我看到了如何描述河床演变、洪水传播等现象；而对于微观的湍流模型，我则惊叹于作者如何通过复杂的偏微分方程来捕捉流体中细微的涡旋和能量耗散。这种全方位的视角，让我对水体运动的认识更加全面和深入。

评分☆☆☆☆☆

本书在介绍模型构建和求解方面，提供了非常实用的指导。作者并非仅仅列举模型，而是非常细致地展示了从实际问题出发，如何进行假设、选取合适的模型、进行参数化，以及最终进行求解和结果分析的全过程。我尤其注意到书中关于模型不确定性的讨论，作者强调了模型结果的局限性，以及如何通过敏感性分析和误差分析来评估模型的不确定性。这对于我理解模型的可靠性和应用边界非常有帮助。此外，书中还提及了一些常用的建模软件和工具，虽然没有进行详细的操作演示，但这些信息为我后续的学习和实践提供了宝贵的线索。我能够从中感受到作者的严谨和细致，他不仅仅是传授知识，更是教导一种科学的研究方法和思维方式。

评分☆☆☆☆☆

我在阅读过程中，最令我印象深刻的是作者的讲解方式。他没有像一些教科书那样，上来就抛出一堆枯燥的公式和定义，而是以一种循序渐进、层层递进的方式，将复杂的概念一点点剥开。他善于运用生活中的例子来类比，比如描述水流的阻力时，会联想到我们在水中游泳时感受到的阻力，这种接地气的解释，让原本抽象的物理原理变得生动形象。而且，在讲解每一个数学模型时，作者都会详细阐述其建立的背景、假设条件以及适用范围，这对于理解模型背后的思想至关重要。他并没有止步于单纯的公式推导，而是更注重对模型物理意义的解读，以及模型在实际工程中的应用价值。当我遇到一些难以理解的公式时，作者总能提供详尽的推导过程，并配以清晰的图示，让我能够一步步跟着思路走，最终豁然开朗。这种既有理论深度又不失实践指导性的讲解，让我感到受益匪浅，仿佛一位经验丰富的水利工程师正在我耳边娓娓道来。

评分☆☆☆☆☆

我个人对书中关于水动力学模拟的讲解非常感兴趣。作者在这一部分花费了大量的篇幅，详细介绍了不同类型的水动力学模型，包括但不仅限于浅水波模型、紊流模型以及多相流模型。他不仅罗列了这些模型的数学方程，更重要的是，他深入剖析了方程的物理意义，以及不同模型之间的联系和区别。我特别欣赏作者在解释这些复杂模型时，所采用的清晰逻辑和生动比喻。例如，在讲解涡流模型时，他会将其与我们日常生活中观察到的漩涡进行类比，帮助读者建立直观的理解。此外，书中还穿插了一些数值求解方法的介绍，例如有限差分法、有限元法等，虽然我不是这方面的专家，但作者的讲解让我对这些方法的原理有了初步的认识。总而言之，这部分内容为我打开了理解水体运动规律的新视角，也激发了我进一步探索相关领域的兴趣。