计算等离子体物理导论 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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店铺： 品阅轩图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030563675

商品编码：26624244916

开本：32开

出版时间：2018-02-01

页数：316

内容简介

本书是等离子体物理数值计算与模拟的入门教程，基本涵盖了计算等离子体物理中常见的基础问题，一类源自教学，一类源自科研。在内容编写方面，笔者力求做到每一章节既有新意，又有实用性，使得读者对目前的计算等离子体物理研究内容能知其然且知其所以然。与传统教材不同，本书将通过具体的算例来帮助初学者理解相关的物理概念和物理图像，尽可能地降低读者的学习困难，同时加深读者对计算等离子体物理前沿的理解。书中的算例均提供了相关的代码（以Matlab为主），读者可直接使用或依据需要做相关的改写。

好的，这是一本关于计算等离子体物理导论的图书的详细简介，内容聚焦于等离子体的数值模拟方法、理论基础、应用领域，同时避开了“计算等离子体物理导论”这个具体的书名及其直接内容。 --- 等离子体动力学：理论、模拟与前沿应用 本书概述 本书深入探讨了等离子体物理学的核心概念，并着重阐述了如何运用先进的计算工具和数值方法来解决复杂的等离子体动力学问题。等离子体，作为物质的第四态，在天体物理、聚变能研究、空间天气以及微电子工业等领域扮演着至关重要的角色。理解和预测其行为需要一套坚实的理论框架和高效的模拟技术。 本书旨在为读者提供一个全面而系统的视角，将基础物理原理与尖端的计算技术相结合。我们不仅会梳理支配等离子体运动的基本方程——麦克斯韦方程组和流体/粒子方程，还将详细介绍如何将这些方程转化为可执行的数值算法。内容覆盖了从宏观的磁流体动力学（MHD）到微观的玻尔兹曼方程和Vlasov方程的各种模型，并探讨了适用于不同尺度和物理效应的数值求解策略。 第一部分：等离子体物理基础与理论框架 本部分为深入计算建模奠定理论基础。我们将从等离子体的基本定义和特性开始，讨论其独特的输运现象和波动力学。 1.1 等离子体基础 等离子体的形成与特性： 德拜屏蔽、等离子体频率、碰撞频率的物理意义。 基本动力学描述： 单粒子运动（回旋、漂移）、平均场理论（流体模型）与统计描述（玻尔兹曼方程）。 1.2 关键理论模型 磁流体动力学（MHD）： 欧姆定律的引入、磁流体的基本方程组（连续性、动量、能量、安培定律）。重点讨论理想MHD与电阻MHD的适用性范围及其在宏观尺度上的应用，如磁重联和稳定性分析。 动力学理论： 玻尔兹曼方程的推导、Chapman-Enskog展开在高稀疏度等离子体中的应用。讨论如何从玻尔兹曼方程导出更高层次的矩展开（如两点矩近似）。 Vlasov-泊松系统： 介绍无碰撞等离子体的基本模型，探讨如何捕捉集体效应而不依赖于碰撞项。这是理解静电不稳定性的关键。 1.3 波与不稳定性 线性波理论： 等离子体中的电磁波和静电波（如离子声波、电子等离子体波）的色散关系。 基本不稳定性分析： 经典的不稳定性（如阿尔芬波不稳定性、漂移波）的线性增长率分析，为后续的非线性模拟提供基准。 第二部分：数值方法与计算技术 本部分是本书的核心，详细介绍了将理论方程转化为高效、稳定、精确的数值代码的方法。 2.1 求解偏微分方程（PDEs）的基础 离散化技术概览： 有限差分法（FDM）、有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）的适用性对比。讨论它们在处理不同类型边界条件和守恒律方面的优缺点。 时间积分方案： 显式、隐式和半隐式时间步进方法的选择。针对MHD方程中刚性源（如快波）的处理，探讨Crank-Nicolson和Runge-Kutta方法的改进方案。 2.2 模拟主流模型 MHD模拟技术： 守恒型MHD方程的求解： 重点介绍高分辨率激波捕捉格式，如TVD（Total Variation Diminishing）格式、ENO/WENO格式，确保在存在激波和接触不连续面时保持精度。 约束条件处理： 如何保证磁场散度自由 ($ abla cdot mathbf{B} = 0$) 在数值上得到严格满足（如Powell源项、散度清除算法）。 基于粒子的模拟（PIC方法）： 粒子-网格接口： 粒子权重、电荷和电流密度插值到网格点的技术（如标准二阶和高阶插值）。 场求解与粒子推进： Boris速度积分器（处理回旋运动的稳定性）和标准的电磁场求解器（如基于FDTD的Leapfrog算法）。 PIC方法的局限性与混合模型： 讨论PIC在高对比度问题中的计算成本，并引出粒子在场（PIC）与流体混合模型的必要性。 2.3 求解Vlasov方程的挑战 Vlasov求解器的选择： 介绍网格化Vlasov求解器的挑战（维度灾难），以及基于流体矩展开的替代方法。 非结构化网格与自适应网格加密（AMR）： 在需要高分辨率捕捉局部效应时，如何利用AMR技术优化计算资源分配。 第三部分：应用与前沿研究 本部分将理论和计算方法应用于实际的等离子体科学问题，展示现代计算等离子体物理的强大能力。 3.1 空间等离子体与磁层物理 太阳风与地球磁层耦合： 利用大规模MHD代码（如FLASH、LAMMPS的MHD模块）模拟弓激波的形成与传播。 磁重联： 空间和实验室等离子体中能量耗散的关键过程。探讨如何利用PIC模拟来揭示重联区的微观粒子加速机制。 3.2 受控核聚变中的等离子体 托卡马克边缘湍流： 介绍全局和局域的湍流模拟（如全局MHD稳定性分析，以及使用GTS/XGC等代码模拟的边缘局域模EIT）。 面向工程的计算： 讨论如何将更精细的微观模型（如湍流输运系数）嵌入到宏观的输运代码中，以实现对聚变反应堆性能的准确预测。 3.3 工业与非平衡等离子体 低压等离子体处理： 模拟射频（RF）和直流（DC）放电中的电子能量分布函数（EEDF）。讨论如何利用PIC模拟优化半导体刻蚀和薄膜沉积工艺中的等离子体源。 大气压等离子体： 探讨在复杂化学反应背景下，流体模型如何与电子输运模型耦合，以精确控制等离子体放电的均匀性和活性物种的产生。 结论与展望 本书的最终目标是使读者能够批判性地选择和实施正确的计算工具来解决特定的等离子体问题。未来的发展趋势，如GPU加速、机器学习在等离子体数据分析中的应用，以及更高保真度的多尺度耦合模拟，也将作为展望部分进行简要介绍，指引读者探索等离子体模拟领域的最新进展。 --- 目标读者： 本书适合物理学、空间科学、等离子体工程、计算科学等领域的高年级本科生、研究生以及从事相关研究的专业人员。需要具备基础的偏微分方程知识和基本的编程能力。

评分☆☆☆☆☆

我特别欣赏这本书在案例选择和应用实例方面的广度与深度。它不仅仅局限于理论推导和公式的罗列，而是巧妙地将理论知识锚定在了实际的工程应用场景中。比如，在介绍磁镜约束聚变概念时，作者详细对比了不同约束几何的优缺点，并穿插了国际上多个著名实验装置的设计理念和遇到的核心挑战。这种将理论与前沿科研动态紧密结合的做法，让这本书的内容保持了极强的时效性和前瞻性。我感觉自己不是在读一本静态的教科书，而是在与当前领域的顶尖科学家进行一场跨越时空的深度对话。书中对不同“范式”的讨论，如惯性约束与磁约束的哲学差异，也引人深思，促使读者去思考等离子体物理在能源、材料加工乃至天体物理中的多维度角色。这些具体的案例分析，是真正将冰冷的物理定律转化为解决实际问题的“工具箱”。

评分☆☆☆☆☆

对于这本书的适用人群定位，我有一个非常明确的判断：它或许并不是市面上最轻薄易懂的“科普入门读物”，但绝对是想真正踏入等离子体物理研究领域的学生和工程师，必须拥有的“第一本专业参考书”。它的价值体现在其深厚的内功上——大量的背景知识被细致地梳理和解释，避免了许多其他教材中常见的“跳跃式”讲解。举个例子，书中对玻尔兹曼方程的推导过程，冗长但极其详尽，每一个积分项的物理意义都被标注得一清二楚，这种对数学细节的尊重，是速成读物所无法比拟的。阅读它需要投入时间，需要耐心，但收获的绝不仅仅是知识点的记忆，而是一种严谨的物理思维方式和对复杂系统分析的能力。它教会我的，是如何从零开始，构建起对等离子体这一物质形态的完整认知图景，是奠定未来研究基石的坚实教材。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和装帧设计简直是一场视觉的盛宴。封面那深邃的蓝色调，配上流光溢彩的等离子体模拟图像，让人一眼就能感受到那种高深莫测的科学美感。纸张的质感也相当上乘，触感细腻，翻阅起来非常舒适。作者在细节处理上看得出是用心良苦，图表的清晰度和专业性毋庸置疑，即便是复杂的数学公式，也排布得井井有条，让人在阅读枯燥的理论时，不至于因为版式混乱而感到心烦意乱。特别是那些三维的物理结构图，简直是艺术品级别的插图，将抽象的等离子体现象具象化，极大地帮助了初学者建立直观的理解。装订方面，我非常喜欢它采用的锁线胶装技术，使得整本书可以平摊在桌面上，这对于需要对照公式和图表进行学习的读者来说，简直是太友好了，长时间翻看也不会感到疲惫。由此可见，出版方在制作这本书时，绝非仅仅是为了知识的传递，更是在追求一种阅读体验的极致，这对于一本专业的学术书籍而言，无疑是加分项，体现了出版业的工匠精神。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构组织逻辑达到了教科书设计的天花板级别。从章节的过渡来看，它遵循了一个非常清晰的“由简入繁，由低维到高维”的递进模式。第一部分聚焦于单粒子运动的拉莫尔回旋，接着扩展到流体描述，最后才引入气体动力学和输运理论。这种层层递进的设计，确保了读者在掌握前置知识点后，才能去挑战更复杂的概念，有效避免了知识体系的“断层”。尤其值得称赞的是，每一章末尾的“自检习题”和“深入探索”部分，设计得极其巧妙。习题不仅是对基础概念的巩固，更包含了一些启发性的思考题，能引导读者主动去构建自己的知识框架；而“深入探索”部分则提供了进一步阅读的经典文献索引和更偏门的课题介绍，满足了进阶学习者的需求。这种周全的结构布局，使得这本书可以同时服务于大一新生和即将进行博士论文答辩的研究人员。

评分☆☆☆☆☆

这本书的行文风格，简直是为那些被传统教科书吓跑的初学者量身定做的“救命稻草”。作者似乎深谙读者的心理困境，他没有一上来就抛出那些令人望而生畏的偏微分方程组，而是像一位经验丰富的老教授，循循善诱，从最基础的宏观物理图像入手，用极其生活化、甚至略带幽默感的语言来解释那些看似玄奥的概念。例如，他解释磁流体动力学（MHD）时，不是直接堆砌理论，而是引用了高速公路上的交通拥堵现象作为类比，一下子就把磁场对等离子体运动的约束感描绘得淋漓尽致。这种“讲故事”式的叙事方式，极大地降低了知识获取的门槛，让我在阅读过程中，产生了一种“原来如此”的豁然开朗的感觉，而不是持续的挫败感。更难能可贵的是，作者在保持这种亲切感的同时，丝毫没有牺牲内容的严谨性，这种平衡的拿捏，实属不易。