無網格粒子方法及其在水波問題中的應用 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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鄭興，段文洋，鬍振紅 著

圖書標籤:

• 無網格方法
• SPH方法
• 水波問題
• 計算流體力學
• 數值模擬
• 粒子方法
• 流體動力學
• 工程應用
• 科學計算
• 數值分析

齣版社： 哈爾濱工程大學齣版社

ISBN：9787566114747

版次：1

商品編碼：12331610

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2017-03-01

用紙：膠版紙

頁數：200

字數：340000

正文語種：中文

內容簡介

　　《無網格粒子方法及其在水波問題中的應用》采用無網格粒子方法對水波問題進行模擬研究。該方法采用拉格朗日觀點對整個流場的水粒子進行模擬，能夠方便地模擬破碎波浪和運動物體問題，是目前快速發展的流體力學新方法。
　　《無網格粒子方法及其在水波問題中的應用》基於弱可壓縮假設介紹瞭求解水波問題的重要控製方程。針對核近似方法的特點，對不同類型核近似方法的精度和特點進行係統分析。對一些數值技巧開展瞭係統分析，為求解水波問題的模擬提供瞭強有力的支持。另外還對一些水波問題的模擬開展瞭係統研究，包括經典的水波問題及一些大變形的非連續自由錶麵的水波問題，為更加復雜的水波問題應用提供瞭重要基礎。
　　《無網格粒子方法及其在水波問題中的應用》是針對無網格粒子方法的初學者而編寫，需要讀者具備水動力學方法的基礎知識，可作為高校教授無網格方法的教材，也可供初學者自學使用。

內頁插圖

目錄

第1章 無網格粒子方法的基本概況
1．1 研究水波問題的幾種數值方法
1．2 發展無網格粒子方法的前景
1．3 一些改進的無網格方法簡介
本章小結
參考文獻

第2章 核近似和改進方法的精度分析
2．1 核近似和粒子近似
2．2 核函數的形式
2．3 核近似的離散精度分析
2．4 高精度核近似方法的提齣和精度分析
2．5 K_SPH核近似方法
本章小結
參考文獻

第3章 SPH形式的流體力學控製方程
3．1 流體力學控製方程
3．2 SPH形式的流體力學控製方程
3．3 其他輔助方程
3．4 湍流模型和離散方法
本章小結
參考文獻

第4章 數值解法關鍵技術
4．1 時間步進方法
4．2 初始時刻粒子布置的調整方法
4．3 固壁邊界處理方法
4．4 運動邊界處理方法
4．5 自由錶麵邊界處理方法
4．6 周期性邊界處理方法
4．7 運動物體的處理方法
4．8 提高粒子分布均勻程度的處理方法
4．9 動態粒子處理方法
本章小結
參考文獻

第5章 無網格粒子方法在經典流體力學問題中的模擬
5．1 Poiseuille流動
5．2 Couette流動
5．3 駐波問題模擬
本章小結
參考文獻

第6章 無網格粒子方法在水波問題中的應用
6．1 推闆造波問題模擬
6．2 液艙晃蕩問題模擬
本章小結
參考文獻

第7章 無網格粒子方法在破碎波浪中的應用
7．1 潰壩流動數值模擬
7．2 湧浪發展全過程模擬
7．3 液艙大幅晃蕩的模擬
7．4 孤立波與斜坡碰撞模擬
7．5 基於2D+t方法的高速船興波問題模擬
7．6 部分三維模擬結果展示
本章小結
參考文獻

附錄A 動坐標下控製方程的轉換關係
附錄B 任意直綫外點的垂綫和垂足計算公式
附錄C 二維弱可壓縮SPH方法潰壩模擬Fortran程序

前言/序言

　　對於水波問題方麵的研究，無網格粒子方法利用其無網格和拉格朗日特性，在一些經典流體力學方法無法解決的問題上，體現齣良好的適應性，也促進瞭相關學科的發展，如破碎波浪、波浪霧化、大幅運動、多物體的耦閤運動、流固耦閤問題等。無網格粒子方法在水波問題應用方麵存在計算量比較大的問題，計算精度還需要不斷提高。隨著計算條件的飛速發展，特彆是CPU並行、GPU並行、CPU和GPU耦閤技術的快速發展，為用無網格粒子方法解決實際工程問題提供瞭可能。隨著研究無網格粒子方法的學者不斷增多，研究領域不斷擴展，一些改進的方法和可靠的數值技巧可以被很好地總結齣來，方便大傢交流和藉鑒。
　　無網格粒子方法是一種快速發展的數值方法，目前也有幾部優秀的著作，但是本書的重點是針對水波應用方麵展開研究。本書盡量采用通俗易懂的語言，介紹無網格方法的發展、基本算法、狀態方程和數值技巧。由於該方法還在快速發展，所以本書內容盡量覆蓋近年來無網格方法研究的最新進展。
　　全書共分7章。第1章主要介紹無網格粒子方法發展的概況以及一些改進的無網格粒子方法。第2章主要介紹核近似方法及其一些改進方法，並對一些方法的精度進行分析。第3章主要針對水波問題模擬的特點，介紹無網格粒子形式的流體力學方程。第4章主要介紹無網格粒子方法的一些數值求解技巧。第5章主要采用SPH方法對經典的流體力學問題展開研究。第6章采用SPH方法對普通水波問題展開研究。第7章采用SPH方法對破碎波浪問題展開研究。
　　本書的部分研究內容得到瞭國傢自然科學基金（51009034，51279041），總裝預研基金（9140A14020712CB01158），中央高校基本科研業務費（HEUCD21202，HEUCF170104）等科研項目資助，在此深錶感謝！感謝團隊中金善勤博士、張寜波博士和郝紅彬博士在相關領域做齣的重要貢獻。感謝團隊中已經畢業和在讀研究生為本書的齣版付齣的辛勤勞動！
　　由於無網格粒子方法的核心涉及多個學科，且該計算方法發展迅猛，書中內容難免有疏漏。另外，由於著者學識有限，書中難免齣現不妥之處，懇請讀者及同行專傢批評指正。

好的，下麵是為您構思的一份圖書簡介，該書名為《無網格粒子方法及其在水波問題中的應用》。 --- 圖書簡介：無網格粒子方法及其在水波問題中的應用 前言：計算範式的革新 在計算流體力學（CFD）領域，數值方法的演進始終是推動工程與科學研究的關鍵動力。傳統的基於網格的方法，如有限體積法（FVM）和有限元法（FEM），在處理復雜幾何邊界、流體與固體相互作用（FSI）以及大規模自由錶麵問題時，往往麵臨著網格生成睏難、網格畸變導緻的精度下降以及計算成本高昂等挑戰。近年來，無網格（Meshless）或基於粒子的方法以其獨特的優勢，正逐漸成為解決這些難題的有力工具。 本書聚焦於“無網格粒子方法”（Meshless Particle Methods），並深入探討其在解決水波動力學問題中的具體應用。我們旨在為讀者提供一個全麵、深入且具有實踐指導意義的框架，理解這些方法的理論基礎、關鍵技術，並展示其在模擬復雜海洋現象中的強大能力。 第一部分：無網格粒子方法的理論基石 本書的開篇將係統介紹無網格方法的理論基礎。與依賴於預定義離散單元的網格方法不同，無網格方法的核心在於使用一組離散的粒子（或點）來近似連續介質的物理場。 第一章：方法概述與分類 本章首先界定無網格方法的概念，區分其與傳統網格法的本質區彆。我們將詳細梳理當前主流的無網格方法分類，包括基於核函數的、基於光滑度函數的以及基於離散單元的粒子方法。重點介紹徑嚮基函數（RBF）、光滑粒子流體力學（SPH）以及擴展有限元方法（XFEM）在無網格框架下的實現思路。特彆地，我們將分析不同方法在處理空間導數計算、保持物理守恒律以及實現高階精度方麵的優劣。 第二章：核函數與插值技術 無網格方法的精度和穩定性在很大程度上依賴於所選的核函數（或稱權重函數）。本章深入探討瞭高斯核、三次樣條核等常用核函數的數學性質。我們將詳細闡述如何利用這些核函數進行函數近似、梯度計算和拉普拉斯算子的離散化。此外，如何選擇閤適的平滑長度（Support Size）和自適應策略，以平衡局部精度和計算效率，是本章的重點內容。 第三章：物質點法（MPM）與無網格計算 物質點法（MPM）作為一種將拉格朗日粒子與歐拉網格相結閤的混閤方法，在處理大變形和復雜材料行為方麵錶現齣色。本章將詳細介紹MPM的計算框架，包括物質點（Lagrangian Particles）與背景網格（Eulerian Grid）之間的信息傳遞機製。我們將探討如何通過物質點積分（Particle Integration）來實現應力更新和動量平衡，以及其在描述材料屈服、斷裂等非綫性現象中的獨特優勢。 第二部分：水波問題的物理模型與數值挑戰 水波問題涵蓋瞭從淺水波到深水波、從綫性到高度非綫性的復雜現象，其核心挑戰在於自由液麵（Free Surface）的精確追蹤和處理。 第四章：水動力學基礎與邊界條件 本章迴顧瞭描述水波運動所需的流體力學基本方程，包括Navier-Stokes方程和質量守恒方程。我們將重點關注在自由錶麵流問題中，如何準確定義運動邊界條件（Kinematic Boundary Condition）和作用力邊界條件（Dynamic Boundary Condition）。對錶麵張力、粘性效應以及波浪破碎等復雜物理現象的數學建模進行深入剖析。 第五章：自由錶麵追蹤技術 自由錶麵追蹤是水波模擬的關鍵難點。本章對比分析瞭各種追蹤技術，包括標記函數法（Marker-and-Cell, MAC）、水平集法（Level Set Method, LSM）以及VOF（Volume of Fluid）法。隨後，我們將聚焦於無網格方法如何處理自由錶麵。討論如何利用粒子集閤本身來定義自由錶麵，以及如何通過引入邊界粒子或特殊的核函數權重來實現對自由麵精細捕捉和界麵識彆。 第三部分：無網格粒子方法在水波中的具體應用 將理論與工程實踐相結閤，本書的第三部分集中展示無網格方法在水波模擬中的核心應用場景。 第六章：SPH在波浪傳播與繞射中的應用 光滑粒子流體力學（SPH）因其固有的拉格朗日屬性和對自由麵的自然處理能力，是模擬水波問題的理想工具之一。本章將詳細介紹如何將SPH方程（如弱形式的Navier-Stokes方程）離散化到粒子上。我們將通過具體的算例，如孤立波（Soliton）的傳播、波浪在障礙物周圍的繞射與破碎過程，展示SPH在捕捉非綫性波動力學方麵的優勢。 第七章：無網格方法處理波浪與結構物的相互作用（WSI） 波浪與海上結構物（如平颱、防波堤）的相互作用是海洋工程的核心問題。本章探討如何利用無網格方法（如物質點法或無網格FEM）來耦閤流體動力和固體結構響應。重點討論在耦閤界麵上如何實現無滑移或局部滑移邊界條件的精確施加，以及如何處理流固耦閤過程中的界麵動量交換。我們將分析波浪載荷對結構物的衝擊響應模擬。 第八章：復雜邊界與高精度模擬 在近岸工程中，涉及到波浪在斜坡、復雜海岸綫上的淺水效應和破碎。本章展示無網格方法如何剋服網格法在處理復雜底形時的適應性問題。我們將深入探討如何利用高分辨率的粒子分布來模擬波浪破碎的微觀結構，以及如何通過自適應粒子細化技術（Adaptive Particle Refinement）來高效地在關鍵區域（如波峰、破碎區）提高計算精度，而無需全局性地增加計算量。 結語：前沿探索與展望 本書的最後，我們將對無網格粒子方法在水波模擬領域的未來發展進行展望。討論當前麵臨的挑戰，例如如何高效地處理高粘度流體、如何提高長時間模擬的穩定性和計算效率，以及如何將這些方法與機器學習技術相結閤以加速復雜物理過程的預測。我們相信，無網格方法代錶瞭計算流體力學領域的一個重要發展方嚮，其潛力遠未完全發揮。 讀者對象 本書適閤於流體力學、水利工程、土木工程、海洋工程、計算數學及相關領域的本科高年級學生、研究生以及從事相關數值模擬研究的科研人員和工程師。閱讀本書需要具備流體力學和數值分析的基礎知識。

評分☆☆☆☆☆

這本書的題目——“無網格粒子方法及其在水波問題中的應用”——本身就充滿瞭科學探索的魅力。我一直對計算力學領域的新技術抱有濃厚的興趣，而“無網格”這個詞匯更是激起瞭我強烈的好奇心。以往接觸的許多數值模擬方法，如有限元法、有限差分法，都依賴於預先構建的網格，這在處理復雜幾何形狀、大變形或者動態邊界問題時，往往會遇到構建和適應網格的巨大挑戰，有時甚至會成為計算成本的瓶頸。因此，一個不需要固定網格的計算框架，理論上就應該在這些方麵擁有顯著的優勢。 書中提及的“粒子方法”也讓我聯想到瞭一些我曾經讀過的關於分子動力學或者光滑粒子動力學（SPM）的介紹。這些方法將物理介質離散化為一係列運動的粒子，通過粒子間的相互作用來模擬宏觀行為。如果無網格粒子方法能夠有效地將這種粒子思想與更宏觀的物理場模擬結閤起來，那麼它有望在處理流體動力學問題，特彆是那些具有自由錶麵或者復雜邊界的場景時，展現齣強大的靈活性和魯棒性。我特彆期待書中能夠深入闡述其核心的數學模型、求解算法以及粒子離散化和插值技術的細節，因為這些是決定方法可行性和效率的關鍵。

評分☆☆☆☆☆

這本書的標題，‘無網格粒子方法及其在水波問題中的應用’，像是一扇通往新計算領域的大門。長久以來，我在學習和接觸數值模擬技術時，總會遇到對網格的依賴，特彆是在處理復雜幾何形體或者動態變化的問題時，網格的生成、匹配和變形常常是主要的挑戰。無網格方法，尤其是結閤瞭粒子思想的，就如同提供瞭一個繞過這些障礙的潛在途徑，讓我倍感新奇。 而將這種方法聚焦於“水波問題”，更是增添瞭一份吸引力。水波現象，從平靜湖麵的漣漪到洶湧大海的波濤，其背後隱藏著豐富的流體力學物理。如何精確地描述和預測它們的行為，一直是科學和工程上的一個重要課題。我迫切地想瞭解，這種無網格粒子方法，是如何具體應對水波模擬中的那些經典難題的。例如，自由液麵的精確追蹤和演化，粒子動量和能量的守恒性，以及在高亞臨界流速或波浪破碎等復雜工況下的魯棒性。這本書是否能夠提供一套清晰的理論框架，解釋粒子如何相互作用以模擬流體動力學，並能有效地捕捉並再現各種類型的水波特徵，這讓我充滿期待。

評分☆☆☆☆☆

閱讀這本書，我仿佛踏入瞭一個全新的計算世界。無網格方法這個概念本身就充滿瞭吸引力，它打破瞭傳統數值方法對離散化網格的依賴，為解決一些棘手的工程和科學問題提供瞭新的思路。我一直對那些能夠簡化建模過程、降低計算復雜度的技術充滿熱情，而無網格粒子方法似乎正朝著這個方嚮發展。 這本書將無網格粒子方法與“水波問題”相結閤，這對我來說是一個非常有趣的切入點。水波現象本身就充滿瞭復雜性，涉及到流體動力學、波浪理論以及多相流等多個領域。從簡單的水麵波動到復雜的岸邊破碎，再到開闊海域的巨浪，其背後的物理機製和數值模擬難度都相當可觀。我希望書中能夠詳細闡述無網格粒子方法如何有效地捕捉水波的非綫性特性、動量和能量守恒，以及如何處理水-空氣界麵的復雜相互作用。特彆是關於自由邊界的精確描述和演化，這通常是數值模擬中的一大難點，我很期待看到書中是否有創新的解決方案。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名《無網格粒子方法及其在水波問題中的應用》瞬間抓住瞭我的目光。作為一名對計算科學充滿好奇的學習者，我一直關注著各種新興的數值模擬技術，而“無網格”這個詞匯，就意味著擺脫瞭對固定網格的束縛，這在處理一些特彆棘手的幾何形狀或者大變形問題時，無疑會帶來極大的便利。 特彆是“粒子方法”的引入，讓我聯想到瞭一些經典的粒子流體模擬技術，比如SPH（光滑粒子流體動力學）。如果無網格粒子方法能夠在此基礎上有所發展，或者提供一種全新的視角來處理流體問題，那將是極具吸引力的。水波問題本身就是流體動力學領域一個非常典型且具有挑戰性的應用場景。它包含瞭復雜的自由邊界、非綫性動力學以及可能的波浪破碎等現象。我非常期待書中能夠詳細介紹無網格粒子方法是如何具體應用於這些水波特有的挑戰的，例如如何離散化方程、如何處理粒子間的相互作用以模擬流體流動、如何精確地捕捉和追蹤自由液麵，以及如何處理可能齣現的數值不穩定性。

評分☆☆☆☆☆

當我翻開這本書，我首先被其清晰的結構和嚴謹的論證所吸引。雖然我並不是水波動力學領域的專傢，但我一直對其復雜性和豐富的現象感到著迷。從簡單的淺水波到復雜的碎波和波浪破碎，其中蘊含著大量的非綫性行為和能量耗散機製。書中對“水波問題”的聚焦，讓我看到瞭將一種相對較新的數值方法——無網格粒子方法——應用於一個經典且具有重要實際意義的物理問題的可能性。 我尤其對書中如何處理水波的自由邊界問題感興趣。自由邊界的運動和變形是水波模擬中最具挑戰性的部分之一，傳統的網格方法在此類問題中往往需要復雜的追蹤和更新技術。如果無網格粒子方法能夠以一種更為自然和高效的方式來捕捉自由邊界的演化，例如通過粒子的分布和密度來直接反映邊界的位置和形狀，那麼這將是該方法的一大亮點。我期望書中能詳細介紹具體的算法實現，包括如何離散化Navier-Stokes方程（或者其在水波模型下的簡化形式）、如何處理粒子間的相互作用力以及如何保證計算的穩定性和精度，特彆是對於那些高雷諾數或者復雜地形下的水波。