稀薄气体动力学矩方法及数值模拟 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陈伟芳 著

图书标签:

• 稀薄气体动力学
• 矩方法
• 数值模拟
• 气体流动
• 计算物理
• 物理学
• 工程
• 流体力学
• Boltzmann方程
• DSMC方法

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030554390

版次：01

商品编码：12331924

包装：精装

丛书名： “十三五”国家重点出版物出版规划项目·重大出版工程·高速声速出版工程

开本：32开

出版时间：2017-11-01

页数：352

正文语种：中文

内容简介

本书共分为五章。第一章为绪论，阐述了Boltzmann方程与矩方程的研究意义、发展历程、工程应用背景及面临的挑战。第二章详细介绍了稀薄气体动力学中的基本概念，气体宏观属性与微观统计量之间的联系，Boltzmann方程的基本假设与推导，基于Boltzmann方程的守恒定律及热力学定律推导和矩方程的一般形式。第三章针对经典Chapmann-Enskog展开推导了不同类型二阶矩方程--Burnett方程的一维与高维形式。

好的，以下是一份关于“稀薄气体动力学矩方法及数值模拟”的图书简介，着重于该领域的核心内容和技术，旨在吸引对气体动力学、计算物理和相关工程应用感兴趣的读者。 --- 图书简介：稀薄气体动力学矩方法及数值模拟 深入探索稀薄气体流动的计算前沿 本书聚焦于现代流体力学研究中的一个关键领域——稀薄气体动力学。在微纳尺度、高超声速飞行、空间环境等复杂工况下，传统基于连续介质假设的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程往往失效，需要更为精细的动力学模型来描述气体行为。本书系统地阐述了如何运用矩方法（Moment Methods）来解决这些挑战性的稀薄气体问题，并结合先进的数值模拟技术，提供了从理论基础到实际应用的全面指导。 核心内容与结构 本书围绕稀薄气体动力学的核心挑战——从玻尔兹曼方程（Boltzmann Equation）到可解模型方程的构建与求解——展开。全书结构严谨，层次分明，旨在为读者提供一个扎实的理论框架和实用的计算工具。 第一部分：理论基础与稀薄气体描述 本部分奠定了稀薄气体动力学的基础。首先，回顾了气体动力学的基本原理，重点介绍了玻尔兹曼方程及其在描述气体微观状态分布函数方面的核心作用。随后，深入剖析了稀薄气体流动的特征，包括克努森数（Knudsen Number, Kn）在不同流动 regimes 中的意义，以及连续介质模型（如Navier-Stokes方程）的适用边界。 第二部分：矩方法的构建与应用 本书的核心在于对矩方法的详尽阐述。矩方法是玻尔兹曼方程的一种降阶技术，通过对分布函数进行矩展开或矩闭合，将其转化为一组有限的偏微分方程组。 矩展开理论： 详细讲解了如何通过选择合适的基函数（如多项式展开、指数截断等）来构建矩方法体系。书中阐释了不同阶数矩展开的物理意义和局限性。 矩闭合问题： 矩方法的核心难题在于高阶矩的缺失，即“闭合问题”。本书系统讨论了常见的闭合策略，包括最大熵原理（Maximum Entropy Principle）、Chapman-Enskog理论的推广形式，以及基于物理洞察的半经验闭合模型。重点探讨了如何确保闭合模型在物理上保持一致性，例如守恒律的保持和热力学稳定性的满足。 典型矩模型介绍： 涵盖了从低阶到高阶的典型模型，如流线法（DSMC的矩等价形式）、Grad的矩方法以及更高阶的扩散模型。 第三部分：数值模拟技术与算法 理论模型的有效性依赖于可靠的数值求解技术。本部分专注于稀薄气体动力学矩模型的数值实现。 数值方法的选择： 针对矩方法产生的偏微分方程组（通常是双曲型或混合型的），系统介绍了适用于求解这些方程的数值格式。这包括有限体积法（Finite Volume Method）、有限差分法（Finite Difference Method）和有限元法（Finite Element Method）在处理复杂几何和边界条件时的应用。 时空离散化： 探讨了处理双曲方程（如守恒型方程）时，保证数值稳定性和精度的关键技术，如TVD（Total Variation Diminishing）格式、WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory）格式等。 边界条件处理： 稀薄气体流动中，边界层的复杂性使得边界条件的准确处理至关重要。书中详细讨论了不同类型的物理边界（如壁面、自由流出口）的数学描述和数值映射方法。 高效计算策略： 针对矩方法导出的方程组规模较大、耦合性强等特点，本书探讨了并行计算策略，以实现对复杂三维流场的有效模拟。 第四部分：应用案例与工程挑战 本书通过一系列实际算例，展示了矩方法在解决工程实际问题中的强大能力。 微流控与MEMS： 阐述了矩方法在微通道内气体流动、气体轴承等微尺度应用中的优势，尤其是在气体滑移和温度跳跃效应显著的区域。 高超声速与再入大气层： 探讨了在极高马赫数下，气体稀薄化导致的激波结构变化、分离流和热物理效应，以及矩方法如何提供比传统CFD更精确的物理描述。 真空技术与空间环境模拟： 针对低密度气体排放、卫星表面气体再解吸等问题，展示了矩模型在模拟稀疏背景流中的应用潜力。 本书的特色与价值 本书的特色在于将严谨的理论推导与前沿的数值技术紧密结合。它不仅是对稀薄气体动力学模型的综述，更是一部关于如何将这些模型转化为可操作、可验证的计算工具的实用指南。 理论的深度： 对矩方法背后的物理和数学基础进行了深入的剖析，特别是对闭合问题的讨论，有助于读者理解不同模型的内在联系和适用范围。 方法的广度： 涵盖了从基础玻尔兹曼方程到具体数值实现的完整流程，为研究人员和工程师提供了一套完整的解决问题的思路。 面向实践： 通过丰富的工程案例，读者能够清晰地认识到矩方法在克服连续介质模型局限性方面的独特价值。 适用对象 本书适合以下群体阅读和参考： 1. 研究生及科研人员： 致力于计算流体力学、气体动力学、物理学及应用数学领域的研究人员，可作为高级教材或研究参考书。 2. 航空航天与微纳技术工程师： 需要处理高超声速流动、真空环境或微机电系统（MEMS）中气体动力学问题的工程技术人员。 3. 计算科学专业人士： 寻求将高级数学工具应用于复杂物理系统建模的数值分析专家。 通过本书的学习，读者将能够全面掌握稀薄气体动力学矩方法的理论精髓和数值实现技巧，为解决前沿的工程和科学问题奠定坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

初次翻阅时，我最直观的感受是作者在梳理理论脉络上的深厚功力。开篇对于宏观动力学与微观统计物理之间过渡的叙述，处理得极其精妙，仿佛是搭起了一座坚实的桥梁，让那些初次接触高阶模型的读者也能逐步跟上节奏。他没有急于抛出复杂的数学推导，而是先用清晰的物理图像去锚定核心概念，比如对希尔伯特空间和玻尔兹曼方程的引入，都显得循序渐进，逻辑链条清晰可见。令人印象深刻的是，书中对“守恒律”在不同尺度下的体现进行了详尽的剖析，这一点是很多同类书籍中常常被一带而过的地方。这种对基础支撑的强调，使得后续章节中那些看似高深的数值求解方法，都有了坚实的理论依托，让人在学习新知识的同时，也对已有的物理认知进行了巩固和深化。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计确实是花了心思的，封面那种深邃的蓝与银灰色的字体搭配，散发出一种沉稳而专业的学术气息。拿在手里，那种厚实感就让人觉得内容必然是经过了严谨打磨的。我特别喜欢它内页纸张的选择，摸起来很有质感，即便是长时间阅读，眼睛也不会感到特别疲劳。不过，坦白说，它的排版风格略显传统，对于习惯了现代化、留白更多的设计的新一代读者来说，初看可能会觉得略微有些拥挤。例如，公式和图表的插入位置处理得比较紧凑，这虽然保证了信息的密度，但偶尔也会让人在快速翻阅时找不到重点。我个人认为，如果能在图注和关键定义的字体上做一些微妙的变化，比如使用稍微醒目的斜体或加粗，而不是完全依赖上下文来区分，阅读体验会更加流畅。但总体而言，作为一本面向专业领域的教材或专著，它的物理呈现绝对是上乘的，体现了出版方对学术严肃性的尊重。

评分☆☆☆☆☆

就技术内容的深度而言，这本书在特定章节的处理上展现出了极高的前沿性。我特别留意了关于非平衡态系统的处理部分，作者对近年来发展起来的某些高阶矩近似的修正项的讨论，深度远超我预期的标准。他不仅介绍了这些方法的标准形式，更深入地探讨了它们在处理强非均匀性或高马赫数流动时所遇到的奇异性和截断误差的来源。这一点非常关键，因为它直接关系到模型在实际工程应用中的可靠性边界。从专业角度来看，这部分内容对于从事相关计算流体力学或等离子体物理研究的人员而言，无疑具有极高的参考价值，它提供的不仅是“怎么算”，更是“为什么这样算可能出错”的深刻洞察，是检验模型鲁棒性的重要依据。

评分☆☆☆☆☆

从一个长期在相关领域摸索的学习者的角度来看，这本书的整体价值毋庸置疑，但它的实用性门槛确实不低。它更像是一部为你量身打造的“内功心法秘籍”，而非一本“即开即用”的工具手册。书中提供了大量的理论框架和求解范式，但对于如何将这些复杂的解析解或半解析解转化为高效、稳定的计算机代码，这方面的内容相对比较精简。举例来说，在讨论有限体积法或有限元方法在离散化这些矩方程时的稳定性控制策略时，书中的描述更多停留在理论层面，缺乏具体的算法实现细节或性能对比。对于希望直接上手进行大规模数值模拟的工程师而言，可能还需要大量参考其他侧重于计算实现的文献，才能将书中的精妙理论真正落地为可运行的程序。

评分☆☆☆☆☆

关于其叙事风格，我得说，这本书的作者显然更倾向于“严谨的数学家”而非“热情的演说家”。行文风格极其克制，几乎没有使用任何带有主观色彩或煽动性的语言，完全是陈述性的、论证性的。每一个段落的衔接都像是经过了极其精密的计算，生怕出现任何逻辑上的松动。这对于已经有一定基础的读者来说，无疑是一种福音，因为信息传递的效率极高，阅读过程中不需要反复回溯来确认作者的意图。然而，对于希望通过生动的案例或者历史背景来辅助理解的读者群体，这本书的“骨感”可能会稍显不足。例如，在介绍某个特定矩近似方法的诞生背景时，如果能穿插一些当时科研环境的描述，或者引用一些早期研究者的困惑与突破，我相信能让理论的“温度”提升一个层次，使其更具感染力和可读性，而不仅仅是一套冰冷的数学工具集。