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• 畸形波
• 波形分析
• 模拟技术
• 信号处理
• 数值计算
• MATLAB
• Simulink
• 电路仿真
• 电磁兼容性
• 高等工程数学

出版社： 上海交通大学出版社

ISBN：9787313181732

版次：1

商品编码：12364667

包装：平装

出版时间：2017-12-01

《流体动力学中的数值计算》 内容简介 本书深入探讨了流体动力学领域中至关重要的数值计算方法。我们将从基础的离散化技术出发，逐步引导读者理解如何将连续的偏微分方程转化为可在计算机上求解的代数方程组。全书内容涵盖了数值方法的原理、算法设计、精度分析以及在实际工程问题中的应用，旨在为读者提供一套系统而全面的流体动力学数值计算知识体系。 第一部分：数值计算基础 在本书的第一部分，我们将奠定坚实的数值计算基础。我们将首先回顾流体动力学研究中常见的偏微分方程，例如纳维-斯托克斯方程组，它们是描述流体运动的基本定律。随后，我们将详细介绍几种核心的离散化技术，包括有限差分法（Finite Difference Method, FDM）、有限体积法（Finite Volume Method, FVM）和有限元法（Finite Element Method, FEM）。 有限差分法（FDM）：我们将介绍如何通过泰勒展开来近似微分算子，以及如何构建网格点上的差分格式。重点将放在不同阶数的差分格式（如二阶中心差分、向前差分、向后差分）的推导和比较，并分析其数值精度和稳定性。我们将探讨如何处理边界条件，以及在不规则几何形状上的FDM应用挑战。 有限体积法（FVM）：FVM是目前在流体动力学模拟中应用最为广泛的方法之一。本书将详细阐述其核心思想：积分守恒。我们将通过对控制体进行积分，然后使用数值积分技术来近似积分值，从而导出离散方程。重点将放在通量计算（如中心通量、迎风通量、Lax-Friedrichs、Roe、Steger-Warming等通量分裂方法）的设计，以及如何保证物理量的守恒性。我们将讨论FVM在处理复杂几何形状和非结构网格上的优势。 有限元法（FEM）：FEM则是一种基于变分原理的方法。我们将介绍基函数（shape functions）的概念，以及如何使用它们来近似求解域内的未知函数。本书将详细讲解Galerkin方法，并将FEM与FVM和FDM进行比较，讨论它们在不同类型问题上的适用性和优缺点。 除了上述核心离散化方法，第一部分还将涉及数值线性代数。我们将介绍求解大型稀疏线性方程组的迭代方法，如雅可比迭代、高斯-赛德尔迭代、共轭梯度法（Conjugate Gradient, CG）以及广义最小残量法（Generalized Minimum Residual, GMRES）等。这些方法对于处理大规模流体模拟至关重要。 第二部分：数值求解算法与稳定性分析 在掌握了基本的离散化技术后，第二部分将重点关注如何求解离散后的代数方程组，以及保证数值模拟的稳定性和准确性。 求解算法：我们将深入研究各种求解器，包括显式方法和隐式方法。对于显式方法，如欧拉向前法、龙格-库塔法，我们将分析其时间步长限制（CFL条件）以及它们在处理某些物理现象时的局限性。对于隐式方法，如欧拉向后法、Crank-Nicolson法，我们将探讨它们如何允许更大的时间步长，但同时需要求解隐式方程组，并分析其稳定性优势。 稳定性分析：数值稳定性的概念是任何数值模拟的基石。我们将介绍几种重要的稳定性分析技术，包括冯·诺依曼稳定性分析（Von Neumann stability analysis）和矩阵谱分析。我们将详细讲解如何通过分析放大因子（amplification factor）或特征值来判断数值格式是否稳定，并探讨数值扩散（numerical diffusion）和数值振荡（numerical oscillations）的产生原因及其缓解方法。 压力-速度耦合：在求解不可压缩流体的纳维-斯托克斯方程时，压力和速度的耦合是关键挑战。本书将详细介绍几种常用的压力-速度耦合算法，如SIMPLER系列算法（SIMPLE, SIMPLER, SIMPLIC), PISO算法（Pressure-Implicit with Splitting of Operators）。我们将分析这些算法的工作原理，以及它们如何在迭代求解过程中满足连续性方程。 高精度格式与湍流模型：为了提高计算精度，我们将探讨一些高精度数值格式，例如WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory）格式，并讨论它们在捕捉激波和高梯度区域的优势。此外，对于涉及湍流的流动，我们将介绍常用的湍流模型，如RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）模型（如Spalart-Allmaras, $k-epsilon$, $k-omega$ 模型）和LES（Large Eddy Simulation）模型，并讨论如何将这些模型与数值方法相结合。 第三部分：网格生成与自适应技术 为了有效地模拟复杂几何形状的流动，一个良好的网格系统至关重要。第三部分将探讨网格生成技术以及如何通过网格自适应来提高计算效率和精度。 网格类型：我们将介绍结构网格（structured grids）和非结构网格（unstructured grids）的特点。结构网格易于生成和管理，但难以适应复杂几何。非结构网格则具有高度的灵活性，能够更好地贴合复杂边界，但计算实现也更复杂。 网格生成方法：我们将介绍几种常用的网格生成方法，包括叠氮法（advancing front method）、 Delaunay 三角剖分、以及基于代数构造的网格生成方法。对于复杂的三维几何，我们还将讨论如何生成混合网格（hybrid meshes），即在不同区域使用不同类型的网格。 网格自适应：为了提高计算效率，我们希望在流动特征明显（如激波、涡）的区域使用更精细的网格，而在流动平缓的区域使用较粗的网格。本书将介绍基于误差估计的网格自适应方法，包括传感器（error indicators）的设计，以及如何根据误差估计对网格进行局部加密或粗化。我们将讨论网格自适应在降低计算成本和提高模拟精度方面的重要作用。 第四部分：工程应用与案例研究 在掌握了理论和方法之后，第四部分将展示流体动力学数值计算在实际工程问题中的广泛应用，并通过具体案例进行深入剖析。 航空航天工程：我们将探讨计算流体力学（CFD）在飞机翼型设计、发动机内部流动模拟、火箭发射过程中空气动力学分析等方面的应用。例如，如何通过CFD预测翼型在不同攻角下的升阻特性，以及如何模拟超音速流动中的激波现象。 汽车工程：本书将展示CFD在汽车空气动力学设计中的作用，如降低风阻、改善冷却效率、优化车内气流分布等。我们将分析如何通过CFD优化车身造型，以减少燃油消耗并提高驾驶舒适性。 环境工程：我们将探讨CFD在污染物扩散模拟、河流湖泊水动力学分析、城市通风研究等方面的应用。例如，如何模拟有毒气体在大气中的扩散过程，以及如何预测污水排放对水体的影响。 生物医学工程：我们将展示CFD在血流动力学模拟、药物输送研究、呼吸系统模型等方面的应用。例如，如何模拟心脏瓣膜的流动特性，以及如何分析药物在血管中的分布。 工业过程模拟：我们将涉及CFD在工业搅拌器设计、化工反应器模拟、换热器优化等领域的应用。例如，如何通过CFD优化搅拌器的桨叶形状，以实现高效的混合。 在每个案例研究中，我们将详细介绍问题的背景、所采用的数值方法、网格生成策略、边界条件设置、求解器选择以及结果的解释和验证。我们将强调数值模拟结果与实验数据或理论预测的对比，以评估模拟的可靠性。 总结 本书旨在为读者提供一个全面而深入的流体动力学数值计算指南。通过学习本书，读者将能够理解各种数值方法的原理，掌握求解复杂流体问题的计算技术，并能够独立地进行数值模拟，从而为解决实际工程和科学问题提供有力的工具。本书适合高等院校的本科生、研究生以及从事相关研究和工程开发的专业人士阅读。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对海洋环境变化及其对人类活动影响感兴趣的评论员，近期有幸拜读了《畸形波的模拟方法》一书。在当今全球气候变化日益加剧的背景下，对极端天气事件，尤其是极端海浪的预测和理解，变得尤为重要。本书以其独特的视角，聚焦于那些“非典型”或“畸形”的波浪，这恰恰是引发海洋灾害的潜在因素之一。作者在书中详细阐述了如何利用先进的计算方法来模拟这些复杂波浪的生成、演变和传播过程，这对于灾害预警、风险评估以及相关的工程设计都具有深远的意义。我了解到，许多看似异常的海浪现象，例如巨浪的形成，其实都隐藏着复杂的物理机制，而这本书正是试图揭示这些机制的奥秘。书中对于不同模拟模型的选择和应用进行了深入探讨，这表明了作者在技术层面的严谨性。虽然我并非直接的技术操作者，但从书中展现的科学研究方法和严谨的逻辑推理，我能感受到其背后所蕴含的巨大科学价值，以及其对我们应对未来海洋挑战的积极意义。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是我近期阅读过的最令人耳目一新的学术著作了！作为一名海洋科学专业的学生，我一直对那些看似混乱却又遵循某种内在规律的海浪着迷。传统教材往往聚焦于理想波，而《畸形波的模拟方法》则大胆地将目光投向了那些不那么“规整”的波浪形态。从书名就能感受到一种挑战传统、探索未知的魅力。作者并没有回避复杂性，而是用一种非常系统的方式，从理论基础出发，逐步引入各种模拟技术。我尤其喜欢书中对不同数值模型的优缺点分析，这让我明白了为什么在模拟不同的畸形波现象时，需要选择特定的方法。而且，书中的图表和仿真结果都非常直观，即使是对某些复杂的数值算法不太熟悉的读者，也能通过这些可视化呈现，大致理解其模拟效果。我尝试着书中介绍的一些基本方法，发现在自己的研究课题上，通过模拟一些简单的畸形波，的确能获得比以往更贴近实际的观察结果。这本书不仅提升了我的理论认知，更在实践层面给了我很大的启发。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对科学普及内容有较高要求的读者，我发现《畸形波的模拟方法》这本书提供了一种绝佳的体验。它能够让你在不具备深厚专业背景的情况下，也能逐步理解一个相对复杂的科学领域。本书的叙述方式非常巧妙，作者似乎懂得如何平衡科学的严谨性和读者的接受度。书中并没有上来就抛出晦涩难懂的公式，而是先从一些直观的现象入手，例如日常生活中可能观察到的不规则波浪，然后逐步引入背后的科学原理。我尤其欣赏书中对于“畸形波”的定义和分类，这让原本模糊的概念变得清晰起来。作者通过生动的比喻和形象的图示，将复杂的模拟过程可视化，让读者仿佛置身于计算机模拟的海洋之中。读完这本书，我对海浪的认识不再是千篇一律的“波浪”，而是能理解其背后丰富的多样性和变化性。它不仅满足了我对科学知识的渴望，更激发了我对海洋科学更进一步探索的兴趣，让我觉得学习这些知识是一件充满乐趣的事情。

评分☆☆☆☆☆

我是一位在工程领域工作的资深研究员，经常需要处理涉及到流体动力学问题的项目。当我初次接触到《畸形波的模拟方法》这本书时，就对其主题产生了浓厚的兴趣。市面上关于波浪模拟的书籍不少，但真正能够系统性地探讨“畸形波”这一细分领域，并提供实用模拟方法的却不多见。这本书的价值在于其前沿性和专业性。作者对各种数值方法的深入剖析，包括有限元法、有限差分法以及近年来兴起的基于粒子方法的模拟，都进行了详尽的阐述和比较。我特别对书中关于如何处理波浪破碎、涌浪以及孤立波等非线性现象的算法部分印象深刻，这些内容对于我在实际工程设计中，例如海岸防护、海上平台稳定性分析等方面，具有极高的参考价值。书中的公式推导严谨，逻辑性强，对于有一定数学和物理基础的读者来说，能够从中获得宝贵的知识。虽然某些章节的数学深度需要一定的专业背景来消化，但总体而言，这本书无疑为我提供了一个更加全面和深入理解波浪动力学的视角，并为我今后的研究方向提供了新的启发。

评分☆☆☆☆☆

这本《畸形波的模拟方法》绝对是那些对海洋物理学和流体力学有着深刻好奇心的读者的福音。作为一名业余爱好者，我一直被海浪的复杂性和不可预测性所吸引，但传统的描述往往过于简化，无法捕捉到那些令人着迷的“畸形”浪型。这本书则不同，它深入浅出地介绍了如何通过数学模型和数值模拟来重现这些非同寻常的海浪现象。作者的叙述清晰流畅，即便是一些复杂的公式和算法，也能被巧妙地解释得易于理解。我尤其欣赏书中关于非线性效应的讨论，它揭示了为什么简单的叠加原理在许多情况下会失效，以及为什么会形成那些看似“违反常理”的波形。书中的案例研究非常生动，例如对风浪破碎过程的模拟，让我得以窥见那些在实际海洋中难以观察到的细节。读完这本书，我对海洋的理解不再停留在表面，而是开始能用一种更科学、更严谨的视角去审视那些壮丽又危险的波浪。它不仅仅是一本技术指南，更像是一扇打开了新世界大门的钥匙，让我对未来的海洋探索充满了期待。