計算等離子體物理導論 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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圖書標籤:

• 等離子體物理
• 計算物理
• 物理學
• 等離子體
• 計算方法
• 電磁學
• 熱力學
• 流體力學
• 天體物理
• 聚變

店鋪： 品閱軒圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030563675

商品編碼：26624244916

開本：32開

齣版時間：2018-02-01

頁數：316

內容簡介

本書是等離子體物理數值計算與模擬的入門教程，基本涵蓋瞭計算等離子體物理中常見的基礎問題，一類源自教學，一類源自科研。在內容編寫方麵，筆者力求做到每一章節既有新意，又有實用性，使得讀者對目前的計算等離子體物理研究內容能知其然且知其所以然。與傳統教材不同，本書將通過具體的算例來幫助初學者理解相關的物理概念和物理圖像，盡可能地降低讀者的學習睏難，同時加深讀者對計算等離子體物理前沿的理解。書中的算例均提供瞭相關的代碼（以Matlab為主），讀者可直接使用或依據需要做相關的改寫。

好的，這是一本關於計算等離子體物理導論的圖書的詳細簡介，內容聚焦於等離子體的數值模擬方法、理論基礎、應用領域，同時避開瞭“計算等離子體物理導論”這個具體的書名及其直接內容。 --- 等離子體動力學：理論、模擬與前沿應用 本書概述 本書深入探討瞭等離子體物理學的核心概念，並著重闡述瞭如何運用先進的計算工具和數值方法來解決復雜的等離子體動力學問題。等離子體，作為物質的第四態，在天體物理、聚變能研究、空間天氣以及微電子工業等領域扮演著至關重要的角色。理解和預測其行為需要一套堅實的理論框架和高效的模擬技術。 本書旨在為讀者提供一個全麵而係統的視角，將基礎物理原理與尖端的計算技術相結閤。我們不僅會梳理支配等離子體運動的基本方程——麥剋斯韋方程組和流體/粒子方程，還將詳細介紹如何將這些方程轉化為可執行的數值算法。內容覆蓋瞭從宏觀的磁流體動力學（MHD）到微觀的玻爾茲曼方程和Vlasov方程的各種模型，並探討瞭適用於不同尺度和物理效應的數值求解策略。 第一部分：等離子體物理基礎與理論框架 本部分為深入計算建模奠定理論基礎。我們將從等離子體的基本定義和特性開始，討論其獨特的輸運現象和波動力學。 1.1 等離子體基礎 等離子體的形成與特性： 德拜屏蔽、等離子體頻率、碰撞頻率的物理意義。 基本動力學描述： 單粒子運動（迴鏇、漂移）、平均場理論（流體模型）與統計描述（玻爾茲曼方程）。 1.2 關鍵理論模型 磁流體動力學（MHD）： 歐姆定律的引入、磁流體的基本方程組（連續性、動量、能量、安培定律）。重點討論理想MHD與電阻MHD的適用性範圍及其在宏觀尺度上的應用，如磁重聯和穩定性分析。 動力學理論： 玻爾茲曼方程的推導、Chapman-Enskog展開在高稀疏度等離子體中的應用。討論如何從玻爾茲曼方程導齣更高層次的矩展開（如兩點矩近似）。 Vlasov-泊鬆係統： 介紹無碰撞等離子體的基本模型，探討如何捕捉集體效應而不依賴於碰撞項。這是理解靜電不穩定性的關鍵。 1.3 波與不穩定性 綫性波理論： 等離子體中的電磁波和靜電波（如離子聲波、電子等離子體波）的色散關係。 基本不穩定性分析： 經典的不穩定性（如阿爾芬波不穩定性、漂移波）的綫性增長率分析，為後續的非綫性模擬提供基準。 第二部分：數值方法與計算技術 本部分是本書的核心，詳細介紹瞭將理論方程轉化為高效、穩定、精確的數值代碼的方法。 2.1 求解偏微分方程（PDEs）的基礎 離散化技術概覽： 有限差分法（FDM）、有限體積法（FVM）和有限元法（FEM）的適用性對比。討論它們在處理不同類型邊界條件和守恒律方麵的優缺點。 時間積分方案： 顯式、隱式和半隱式時間步進方法的選擇。針對MHD方程中剛性源（如快波）的處理，探討Crank-Nicolson和Runge-Kutta方法的改進方案。 2.2 模擬主流模型 MHD模擬技術： 守恒型MHD方程的求解： 重點介紹高分辨率激波捕捉格式，如TVD（Total Variation Diminishing）格式、ENO/WENO格式，確保在存在激波和接觸不連續麵時保持精度。 約束條件處理： 如何保證磁場散度自由 ($ abla cdot mathbf{B} = 0$) 在數值上得到嚴格滿足（如Powell源項、散度清除算法）。 基於粒子的模擬（PIC方法）： 粒子-網格接口： 粒子權重、電荷和電流密度插值到網格點的技術（如標準二階和高階插值）。 場求解與粒子推進： Boris速度積分器（處理迴鏇運動的穩定性）和標準的電磁場求解器（如基於FDTD的Leapfrog算法）。 PIC方法的局限性與混閤模型： 討論PIC在高對比度問題中的計算成本，並引齣粒子在場（PIC）與流體混閤模型的必要性。 2.3 求解Vlasov方程的挑戰 Vlasov求解器的選擇： 介紹網格化Vlasov求解器的挑戰（維度災難），以及基於流體矩展開的替代方法。 非結構化網格與自適應網格加密（AMR）： 在需要高分辨率捕捉局部效應時，如何利用AMR技術優化計算資源分配。 第三部分：應用與前沿研究 本部分將理論和計算方法應用於實際的等離子體科學問題，展示現代計算等離子體物理的強大能力。 3.1 空間等離子體與磁層物理 太陽風與地球磁層耦閤： 利用大規模MHD代碼（如FLASH、LAMMPS的MHD模塊）模擬弓激波的形成與傳播。 磁重聯： 空間和實驗室等離子體中能量耗散的關鍵過程。探討如何利用PIC模擬來揭示重聯區的微觀粒子加速機製。 3.2 受控核聚變中的等離子體 托卡馬剋邊緣湍流： 介紹全局和局域的湍流模擬（如全局MHD穩定性分析，以及使用GTS/XGC等代碼模擬的邊緣局域模EIT）。 麵嚮工程的計算： 討論如何將更精細的微觀模型（如湍流輸運係數）嵌入到宏觀的輸運代碼中，以實現對聚變反應堆性能的準確預測。 3.3 工業與非平衡等離子體 低壓等離子體處理： 模擬射頻（RF）和直流（DC）放電中的電子能量分布函數（EEDF）。討論如何利用PIC模擬優化半導體刻蝕和薄膜沉積工藝中的等離子體源。 大氣壓等離子體： 探討在復雜化學反應背景下，流體模型如何與電子輸運模型耦閤，以精確控製等離子體放電的均勻性和活性物種的産生。 結論與展望 本書的最終目標是使讀者能夠批判性地選擇和實施正確的計算工具來解決特定的等離子體問題。未來的發展趨勢，如GPU加速、機器學習在等離子體數據分析中的應用，以及更高保真度的多尺度耦閤模擬，也將作為展望部分進行簡要介紹，指引讀者探索等離子體模擬領域的最新進展。 --- 目標讀者： 本書適閤物理學、空間科學、等離子體工程、計算科學等領域的高年級本科生、研究生以及從事相關研究的專業人員。需要具備基礎的偏微分方程知識和基本的編程能力。

評分☆☆☆☆☆

這本書的結構組織邏輯達到瞭教科書設計的天花闆級彆。從章節的過渡來看，它遵循瞭一個非常清晰的“由簡入繁，由低維到高維”的遞進模式。第一部分聚焦於單粒子運動的拉莫爾迴鏇，接著擴展到流體描述，最後纔引入氣體動力學和輸運理論。這種層層遞進的設計，確保瞭讀者在掌握前置知識點後，纔能去挑戰更復雜的概念，有效避免瞭知識體係的“斷層”。尤其值得稱贊的是，每一章末尾的“自檢習題”和“深入探索”部分，設計得極其巧妙。習題不僅是對基礎概念的鞏固，更包含瞭一些啓發性的思考題，能引導讀者主動去構建自己的知識框架；而“深入探索”部分則提供瞭進一步閱讀的經典文獻索引和更偏門的課題介紹，滿足瞭進階學習者的需求。這種周全的結構布局，使得這本書可以同時服務於大一新生和即將進行博士論文答辯的研究人員。

評分☆☆☆☆☆

這本書的行文風格，簡直是為那些被傳統教科書嚇跑的初學者量身定做的“救命稻草”。作者似乎深諳讀者的心理睏境，他沒有一上來就拋齣那些令人望而生畏的偏微分方程組，而是像一位經驗豐富的老教授，循循善誘，從最基礎的宏觀物理圖像入手，用極其生活化、甚至略帶幽默感的語言來解釋那些看似玄奧的概念。例如，他解釋磁流體動力學（MHD）時，不是直接堆砌理論，而是引用瞭高速公路上的交通擁堵現象作為類比，一下子就把磁場對等離子體運動的約束感描繪得淋灕盡緻。這種“講故事”式的敘事方式，極大地降低瞭知識獲取的門檻，讓我在閱讀過程中，産生瞭一種“原來如此”的豁然開朗的感覺，而不是持續的挫敗感。更難能可貴的是，作者在保持這種親切感的同時，絲毫沒有犧牲內容的嚴謹性，這種平衡的拿捏，實屬不易。

評分☆☆☆☆☆

我特彆欣賞這本書在案例選擇和應用實例方麵的廣度與深度。它不僅僅局限於理論推導和公式的羅列，而是巧妙地將理論知識錨定在瞭實際的工程應用場景中。比如，在介紹磁鏡約束聚變概念時，作者詳細對比瞭不同約束幾何的優缺點，並穿插瞭國際上多個著名實驗裝置的設計理念和遇到的核心挑戰。這種將理論與前沿科研動態緊密結閤的做法，讓這本書的內容保持瞭極強的時效性和前瞻性。我感覺自己不是在讀一本靜態的教科書，而是在與當前領域的頂尖科學傢進行一場跨越時空的深度對話。書中對不同“範式”的討論，如慣性約束與磁約束的哲學差異，也引人深思，促使讀者去思考等離子體物理在能源、材料加工乃至天體物理中的多維度角色。這些具體的案例分析，是真正將冰冷的物理定律轉化為解決實際問題的“工具箱”。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和裝幀設計簡直是一場視覺的盛宴。封麵那深邃的藍色調，配上流光溢彩的等離子體模擬圖像，讓人一眼就能感受到那種高深莫測的科學美感。紙張的質感也相當上乘，觸感細膩，翻閱起來非常舒適。作者在細節處理上看得齣是用心良苦，圖錶的清晰度和專業性毋庸置疑，即便是復雜的數學公式，也排布得井井有條，讓人在閱讀枯燥的理論時，不至於因為版式混亂而感到心煩意亂。特彆是那些三維的物理結構圖，簡直是藝術品級彆的插圖，將抽象的等離子體現象具象化，極大地幫助瞭初學者建立直觀的理解。裝訂方麵，我非常喜歡它采用的鎖綫膠裝技術，使得整本書可以平攤在桌麵上，這對於需要對照公式和圖錶進行學習的讀者來說，簡直是太友好瞭，長時間翻看也不會感到疲憊。由此可見，齣版方在製作這本書時，絕非僅僅是為瞭知識的傳遞，更是在追求一種閱讀體驗的極緻，這對於一本專業的學術書籍而言，無疑是加分項，體現瞭齣版業的工匠精神。

評分☆☆☆☆☆

對於這本書的適用人群定位，我有一個非常明確的判斷：它或許並不是市麵上最輕薄易懂的“科普入門讀物”，但絕對是想真正踏入等離子體物理研究領域的學生和工程師，必須擁有的“第一本專業參考書”。它的價值體現在其深厚的內功上——大量的背景知識被細緻地梳理和解釋，避免瞭許多其他教材中常見的“跳躍式”講解。舉個例子，書中對玻爾茲曼方程的推導過程，冗長但極其詳盡，每一個積分項的物理意義都被標注得一清二楚，這種對數學細節的尊重，是速成讀物所無法比擬的。閱讀它需要投入時間，需要耐心，但收獲的絕不僅僅是知識點的記憶，而是一種嚴謹的物理思維方式和對復雜係統分析的能力。它教會我的，是如何從零開始，構建起對等離子體這一物質形態的完整認知圖景，是奠定未來研究基石的堅實教材。