无网格粒子方法及其在水波问题中的应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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郑兴，段文洋，胡振红 著

图书标签:

• 无网格方法
• SPH方法
• 水波问题
• 计算流体力学
• 数值模拟
• 粒子方法
• 流体动力学
• 工程应用
• 科学计算
• 数值分析

出版社： 哈尔滨工程大学出版社

ISBN：9787566114747

版次：1

商品编码：12331610

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-03-01

用纸：胶版纸

页数：200

字数：340000

正文语种：中文

内容简介

　　《无网格粒子方法及其在水波问题中的应用》采用无网格粒子方法对水波问题进行模拟研究。该方法采用拉格朗日观点对整个流场的水粒子进行模拟，能够方便地模拟破碎波浪和运动物体问题，是目前快速发展的流体力学新方法。
　　《无网格粒子方法及其在水波问题中的应用》基于弱可压缩假设介绍了求解水波问题的重要控制方程。针对核近似方法的特点，对不同类型核近似方法的精度和特点进行系统分析。对一些数值技巧开展了系统分析，为求解水波问题的模拟提供了强有力的支持。另外还对一些水波问题的模拟开展了系统研究，包括经典的水波问题及一些大变形的非连续自由表面的水波问题，为更加复杂的水波问题应用提供了重要基础。
　　《无网格粒子方法及其在水波问题中的应用》是针对无网格粒子方法的初学者而编写，需要读者具备水动力学方法的基础知识，可作为高校教授无网格方法的教材，也可供初学者自学使用。

内页插图

目录

第1章 无网格粒子方法的基本概况
1．1 研究水波问题的几种数值方法
1．2 发展无网格粒子方法的前景
1．3 一些改进的无网格方法简介
本章小结
参考文献

第2章 核近似和改进方法的精度分析
2．1 核近似和粒子近似
2．2 核函数的形式
2．3 核近似的离散精度分析
2．4 高精度核近似方法的提出和精度分析
2．5 K_SPH核近似方法
本章小结
参考文献

第3章 SPH形式的流体力学控制方程
3．1 流体力学控制方程
3．2 SPH形式的流体力学控制方程
3．3 其他辅助方程
3．4 湍流模型和离散方法
本章小结
参考文献

第4章 数值解法关键技术
4．1 时间步进方法
4．2 初始时刻粒子布置的调整方法
4．3 固壁边界处理方法
4．4 运动边界处理方法
4．5 自由表面边界处理方法
4．6 周期性边界处理方法
4．7 运动物体的处理方法
4．8 提高粒子分布均匀程度的处理方法
4．9 动态粒子处理方法
本章小结
参考文献

第5章 无网格粒子方法在经典流体力学问题中的模拟
5．1 Poiseuille流动
5．2 Couette流动
5．3 驻波问题模拟
本章小结
参考文献

第6章 无网格粒子方法在水波问题中的应用
6．1 推板造波问题模拟
6．2 液舱晃荡问题模拟
本章小结
参考文献

第7章 无网格粒子方法在破碎波浪中的应用
7．1 溃坝流动数值模拟
7．2 涌浪发展全过程模拟
7．3 液舱大幅晃荡的模拟
7．4 孤立波与斜坡碰撞模拟
7．5 基于2D+t方法的高速船兴波问题模拟
7．6 部分三维模拟结果展示
本章小结
参考文献

附录A 动坐标下控制方程的转换关系
附录B 任意直线外点的垂线和垂足计算公式
附录C 二维弱可压缩SPH方法溃坝模拟Fortran程序

前言/序言

　　对于水波问题方面的研究，无网格粒子方法利用其无网格和拉格朗日特性，在一些经典流体力学方法无法解决的问题上，体现出良好的适应性，也促进了相关学科的发展，如破碎波浪、波浪雾化、大幅运动、多物体的耦合运动、流固耦合问题等。无网格粒子方法在水波问题应用方面存在计算量比较大的问题，计算精度还需要不断提高。随着计算条件的飞速发展，特别是CPU并行、GPU并行、CPU和GPU耦合技术的快速发展，为用无网格粒子方法解决实际工程问题提供了可能。随着研究无网格粒子方法的学者不断增多，研究领域不断扩展，一些改进的方法和可靠的数值技巧可以被很好地总结出来，方便大家交流和借鉴。
　　无网格粒子方法是一种快速发展的数值方法，目前也有几部优秀的著作，但是本书的重点是针对水波应用方面展开研究。本书尽量采用通俗易懂的语言，介绍无网格方法的发展、基本算法、状态方程和数值技巧。由于该方法还在快速发展，所以本书内容尽量覆盖近年来无网格方法研究的最新进展。
　　全书共分7章。第1章主要介绍无网格粒子方法发展的概况以及一些改进的无网格粒子方法。第2章主要介绍核近似方法及其一些改进方法，并对一些方法的精度进行分析。第3章主要针对水波问题模拟的特点，介绍无网格粒子形式的流体力学方程。第4章主要介绍无网格粒子方法的一些数值求解技巧。第5章主要采用SPH方法对经典的流体力学问题展开研究。第6章采用SPH方法对普通水波问题展开研究。第7章采用SPH方法对破碎波浪问题展开研究。
　　本书的部分研究内容得到了国家自然科学基金（51009034，51279041），总装预研基金（9140A14020712CB01158），中央高校基本科研业务费（HEUCD21202，HEUCF170104）等科研项目资助，在此深表感谢！感谢团队中金善勤博士、张宁波博士和郝红彬博士在相关领域做出的重要贡献。感谢团队中已经毕业和在读研究生为本书的出版付出的辛勤劳动！
　　由于无网格粒子方法的核心涉及多个学科，且该计算方法发展迅猛，书中内容难免有疏漏。另外，由于著者学识有限，书中难免出现不妥之处，恳请读者及同行专家批评指正。

好的，下面是为您构思的一份图书简介，该书名为《无网格粒子方法及其在水波问题中的应用》。 --- 图书简介：无网格粒子方法及其在水波问题中的应用 前言：计算范式的革新 在计算流体力学（CFD）领域，数值方法的演进始终是推动工程与科学研究的关键动力。传统的基于网格的方法，如有限体积法（FVM）和有限元法（FEM），在处理复杂几何边界、流体与固体相互作用（FSI）以及大规模自由表面问题时，往往面临着网格生成困难、网格畸变导致的精度下降以及计算成本高昂等挑战。近年来，无网格（Meshless）或基于粒子的方法以其独特的优势，正逐渐成为解决这些难题的有力工具。 本书聚焦于“无网格粒子方法”（Meshless Particle Methods），并深入探讨其在解决水波动力学问题中的具体应用。我们旨在为读者提供一个全面、深入且具有实践指导意义的框架，理解这些方法的理论基础、关键技术，并展示其在模拟复杂海洋现象中的强大能力。 第一部分：无网格粒子方法的理论基石 本书的开篇将系统介绍无网格方法的理论基础。与依赖于预定义离散单元的网格方法不同，无网格方法的核心在于使用一组离散的粒子（或点）来近似连续介质的物理场。 第一章：方法概述与分类 本章首先界定无网格方法的概念，区分其与传统网格法的本质区别。我们将详细梳理当前主流的无网格方法分类，包括基于核函数的、基于光滑度函数的以及基于离散单元的粒子方法。重点介绍径向基函数（RBF）、光滑粒子流体力学（SPH）以及扩展有限元方法（XFEM）在无网格框架下的实现思路。特别地，我们将分析不同方法在处理空间导数计算、保持物理守恒律以及实现高阶精度方面的优劣。 第二章：核函数与插值技术 无网格方法的精度和稳定性在很大程度上依赖于所选的核函数（或称权重函数）。本章深入探讨了高斯核、三次样条核等常用核函数的数学性质。我们将详细阐述如何利用这些核函数进行函数近似、梯度计算和拉普拉斯算子的离散化。此外，如何选择合适的平滑长度（Support Size）和自适应策略，以平衡局部精度和计算效率，是本章的重点内容。 第三章：物质点法（MPM）与无网格计算 物质点法（MPM）作为一种将拉格朗日粒子与欧拉网格相结合的混合方法，在处理大变形和复杂材料行为方面表现出色。本章将详细介绍MPM的计算框架，包括物质点（Lagrangian Particles）与背景网格（Eulerian Grid）之间的信息传递机制。我们将探讨如何通过物质点积分（Particle Integration）来实现应力更新和动量平衡，以及其在描述材料屈服、断裂等非线性现象中的独特优势。 第二部分：水波问题的物理模型与数值挑战 水波问题涵盖了从浅水波到深水波、从线性到高度非线性的复杂现象，其核心挑战在于自由液面（Free Surface）的精确追踪和处理。 第四章：水动力学基础与边界条件 本章回顾了描述水波运动所需的流体力学基本方程，包括Navier-Stokes方程和质量守恒方程。我们将重点关注在自由表面流问题中，如何准确定义运动边界条件（Kinematic Boundary Condition）和作用力边界条件（Dynamic Boundary Condition）。对表面张力、粘性效应以及波浪破碎等复杂物理现象的数学建模进行深入剖析。 第五章：自由表面追踪技术 自由表面追踪是水波模拟的关键难点。本章对比分析了各种追踪技术，包括标记函数法（Marker-and-Cell, MAC）、水平集法（Level Set Method, LSM）以及VOF（Volume of Fluid）法。随后，我们将聚焦于无网格方法如何处理自由表面。讨论如何利用粒子集合本身来定义自由表面，以及如何通过引入边界粒子或特殊的核函数权重来实现对自由面精细捕捉和界面识别。 第三部分：无网格粒子方法在水波中的具体应用 将理论与工程实践相结合，本书的第三部分集中展示无网格方法在水波模拟中的核心应用场景。 第六章：SPH在波浪传播与绕射中的应用 光滑粒子流体力学（SPH）因其固有的拉格朗日属性和对自由面的自然处理能力，是模拟水波问题的理想工具之一。本章将详细介绍如何将SPH方程（如弱形式的Navier-Stokes方程）离散化到粒子上。我们将通过具体的算例，如孤立波（Soliton）的传播、波浪在障碍物周围的绕射与破碎过程，展示SPH在捕捉非线性波动力学方面的优势。 第七章：无网格方法处理波浪与结构物的相互作用（WSI） 波浪与海上结构物（如平台、防波堤）的相互作用是海洋工程的核心问题。本章探讨如何利用无网格方法（如物质点法或无网格FEM）来耦合流体动力和固体结构响应。重点讨论在耦合界面上如何实现无滑移或局部滑移边界条件的精确施加，以及如何处理流固耦合过程中的界面动量交换。我们将分析波浪载荷对结构物的冲击响应模拟。 第八章：复杂边界与高精度模拟 在近岸工程中，涉及到波浪在斜坡、复杂海岸线上的浅水效应和破碎。本章展示无网格方法如何克服网格法在处理复杂底形时的适应性问题。我们将深入探讨如何利用高分辨率的粒子分布来模拟波浪破碎的微观结构，以及如何通过自适应粒子细化技术（Adaptive Particle Refinement）来高效地在关键区域（如波峰、破碎区）提高计算精度，而无需全局性地增加计算量。 结语：前沿探索与展望 本书的最后，我们将对无网格粒子方法在水波模拟领域的未来发展进行展望。讨论当前面临的挑战，例如如何高效地处理高粘度流体、如何提高长时间模拟的稳定性和计算效率，以及如何将这些方法与机器学习技术相结合以加速复杂物理过程的预测。我们相信，无网格方法代表了计算流体力学领域的一个重要发展方向，其潜力远未完全发挥。 读者对象 本书适合于流体力学、水利工程、土木工程、海洋工程、计算数学及相关领域的本科高年级学生、研究生以及从事相关数值模拟研究的科研人员和工程师。阅读本书需要具备流体力学和数值分析的基础知识。

评分☆☆☆☆☆

这本书的题目——“无网格粒子方法及其在水波问题中的应用”——本身就充满了科学探索的魅力。我一直对计算力学领域的新技术抱有浓厚的兴趣，而“无网格”这个词汇更是激起了我强烈的好奇心。以往接触的许多数值模拟方法，如有限元法、有限差分法，都依赖于预先构建的网格，这在处理复杂几何形状、大变形或者动态边界问题时，往往会遇到构建和适应网格的巨大挑战，有时甚至会成为计算成本的瓶颈。因此，一个不需要固定网格的计算框架，理论上就应该在这些方面拥有显著的优势。 书中提及的“粒子方法”也让我联想到了一些我曾经读过的关于分子动力学或者光滑粒子动力学（SPM）的介绍。这些方法将物理介质离散化为一系列运动的粒子，通过粒子间的相互作用来模拟宏观行为。如果无网格粒子方法能够有效地将这种粒子思想与更宏观的物理场模拟结合起来，那么它有望在处理流体动力学问题，特别是那些具有自由表面或者复杂边界的场景时，展现出强大的灵活性和鲁棒性。我特别期待书中能够深入阐述其核心的数学模型、求解算法以及粒子离散化和插值技术的细节，因为这些是决定方法可行性和效率的关键。

评分☆☆☆☆☆

当我翻开这本书，我首先被其清晰的结构和严谨的论证所吸引。虽然我并不是水波动力学领域的专家，但我一直对其复杂性和丰富的现象感到着迷。从简单的浅水波到复杂的碎波和波浪破碎，其中蕴含着大量的非线性行为和能量耗散机制。书中对“水波问题”的聚焦，让我看到了将一种相对较新的数值方法——无网格粒子方法——应用于一个经典且具有重要实际意义的物理问题的可能性。 我尤其对书中如何处理水波的自由边界问题感兴趣。自由边界的运动和变形是水波模拟中最具挑战性的部分之一，传统的网格方法在此类问题中往往需要复杂的追踪和更新技术。如果无网格粒子方法能够以一种更为自然和高效的方式来捕捉自由边界的演化，例如通过粒子的分布和密度来直接反映边界的位置和形状，那么这将是该方法的一大亮点。我期望书中能详细介绍具体的算法实现，包括如何离散化Navier-Stokes方程（或者其在水波模型下的简化形式）、如何处理粒子间的相互作用力以及如何保证计算的稳定性和精度，特别是对于那些高雷诺数或者复杂地形下的水波。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题，‘无网格粒子方法及其在水波问题中的应用’，像是一扇通往新计算领域的大门。长久以来，我在学习和接触数值模拟技术时，总会遇到对网格的依赖，特别是在处理复杂几何形体或者动态变化的问题时，网格的生成、匹配和变形常常是主要的挑战。无网格方法，尤其是结合了粒子思想的，就如同提供了一个绕过这些障碍的潜在途径，让我倍感新奇。 而将这种方法聚焦于“水波问题”，更是增添了一份吸引力。水波现象，从平静湖面的涟漪到汹涌大海的波涛，其背后隐藏着丰富的流体力学物理。如何精确地描述和预测它们的行为，一直是科学和工程上的一个重要课题。我迫切地想了解，这种无网格粒子方法，是如何具体应对水波模拟中的那些经典难题的。例如，自由液面的精确追踪和演化，粒子动量和能量的守恒性，以及在高亚临界流速或波浪破碎等复杂工况下的鲁棒性。这本书是否能够提供一套清晰的理论框架，解释粒子如何相互作用以模拟流体动力学，并能有效地捕捉并再现各种类型的水波特征，这让我充满期待。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书，我仿佛踏入了一个全新的计算世界。无网格方法这个概念本身就充满了吸引力，它打破了传统数值方法对离散化网格的依赖，为解决一些棘手的工程和科学问题提供了新的思路。我一直对那些能够简化建模过程、降低计算复杂度的技术充满热情，而无网格粒子方法似乎正朝着这个方向发展。 这本书将无网格粒子方法与“水波问题”相结合，这对我来说是一个非常有趣的切入点。水波现象本身就充满了复杂性，涉及到流体动力学、波浪理论以及多相流等多个领域。从简单的水面波动到复杂的岸边破碎，再到开阔海域的巨浪，其背后的物理机制和数值模拟难度都相当可观。我希望书中能够详细阐述无网格粒子方法如何有效地捕捉水波的非线性特性、动量和能量守恒，以及如何处理水-空气界面的复杂相互作用。特别是关于自由边界的精确描述和演化，这通常是数值模拟中的一大难点，我很期待看到书中是否有创新的解决方案。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名《无网格粒子方法及其在水波问题中的应用》瞬间抓住了我的目光。作为一名对计算科学充满好奇的学习者，我一直关注着各种新兴的数值模拟技术，而“无网格”这个词汇，就意味着摆脱了对固定网格的束缚，这在处理一些特别棘手的几何形状或者大变形问题时，无疑会带来极大的便利。 特别是“粒子方法”的引入，让我联想到了一些经典的粒子流体模拟技术，比如SPH（光滑粒子流体动力学）。如果无网格粒子方法能够在此基础上有所发展，或者提供一种全新的视角来处理流体问题，那将是极具吸引力的。水波问题本身就是流体动力学领域一个非常典型且具有挑战性的应用场景。它包含了复杂的自由边界、非线性动力学以及可能的波浪破碎等现象。我非常期待书中能够详细介绍无网格粒子方法是如何具体应用于这些水波特有的挑战的，例如如何离散化方程、如何处理粒子间的相互作用以模拟流体流动、如何精确地捕捉和追踪自由液面，以及如何处理可能出现的数值不稳定性。