計算等離子體物理導論 謝華生 科學齣版社 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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謝華生 著

圖書標籤:

• 計算物理
• 等離子體物理
• 謝華生
• 科學齣版社
• 物理學
• 計算方法
• 等離子體診斷
• 數值模擬
• 電磁學
• 流體力學

店鋪： 福州文豪圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030563675

商品編碼：26690965015

包裝：平裝

齣版時間：2018-02-01

圖書基本信息
圖書名稱	計算等離子體物理導論	作者	謝華生
定價	138.00元	齣版社	科學齣版社
ISBN	9787030563675	齣版日期	2018-02-01
字數		頁碼
版次	31	裝幀	平裝
開本	16開	商品重量	0.4Kg

內容簡介

《計算等離子物理 導論》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，《計算等離子物理 導論》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。《計算等離子物理 導論》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。

作者簡介

目錄

目錄 前言 第1章 緒論 1 1.1 計算等離子體物理 1 1.2 計算等離子體物理的先驅 4 1.3 計算等離子體物理的新挑戰 7 1.4 本書內容 9 習題 13 第2章 數據處理與可視化 14 2.1 譜分析 14 2.1.1 傅裏葉變換 14 2.1.2 窗口傅裏葉變換 18 2.1.3 小波變換 21 2.1.4 關聯譜分析 22 2.1.5 包絡分析 24 2.1.6 小結 25 2.2 數據誤差及平滑、插值和擬閤 26 2.2.1 數據誤差 26 2.2.2 平滑 27 2.2.3 插值 27 2.2.4 擬閤 29 2.3 數據可視化 31 2.3.1 基於現成軟件可視化 32 2.3.2 底層代碼實現可視化 36 2.4 數據處理一體化和圖形用戶界麵 37 2.4.1 小程序的一體化實時數據處理示例 37 2.4.2 GUI數據處理工具集示例 41 2.4.3 實驗數據實時係統 43 2.5 其他 43 2.5.1 模擬結果中色散關係的獲得 43 2.5.2 頻率的正負 45 2.5.3 動畫和電影 47 2.5.4 從數據圖中提取原始數據 47 習題 48 第3章 算法效率與穩定性 49 3.1 算法精度與穩定性分析的普適方法 49 3.2 時間積分 52 3.2.1 歐拉一階算法 52 3.2.2 蛙跳格式 52 3.2.3 龍格-庫塔 56 3.3 偏微分方程 56 3.3.1 偏微分方程分類 57 3.3.2 對流方程 57 3.3.3 拋物綫方程 60 3.3.4 橢圓方程 60 3.4 隱式算法 63 3.5 譜方法 64 3.6 有限元 64 3.7 其他 64 3.7.1 辛算法 64 3.7.2 Boris格式 66 3.7.3 時域有限差分和Yee網格 68 3.7.4 exp(Ht)的計算 68 習題 69 第4章 單粒子軌道 70 4.1 洛倫茲力軌道 70 4.1.1 基本方程 70 4.1.2 磁力綫方程 71 4.1.3 磁鏡中的軌跡 72 4.1.4 地磁場中的軌跡 78 4.1.5 托卡馬剋中的軌跡 82 4.1.6 電流片中的軌跡 83 4.2 導心軌道 84 4.2.1 各種導心漂移 84 4.2.2 一組實用的磁麵坐標公式 85 4.2.3 托卡馬剋中的公式 88 4.2.4 理想偶極場磁麵坐標導心運動公式 90 4.3 補注 93 習題 93 第5章 磁流體 95 5.1 描述等離子體的物理模型 95 5.2 常見的磁流體模式圖示 98 5.2.1 扭麯模 99 5.2.2 氣球模 100 5.2.3 撕裂模(磁島) 101 5.3 綫性問題數值解法 102 5.4 磁流體模擬 105 5.4.1 一維激波模擬 105 5.4.2 撕裂模及磁重聯 107 5.5 托卡馬剋中的平衡 112 5.5.1 Grad-Shafranov方程 112 5.5.2 G-S方程的解析解 113 5.5.3 直接數值求解 115 5.6 局域氣球模問題 120 5.6.1 打靶法 120 5.6.2 本徵矩陣法 122 5.7 約化的磁流體方程 126 5.8 阿爾文連續譜和阿爾文本徵模 130 5.8.1 柱全局阿爾文本徵模 132 5.8.2 環阿爾文本徵模 132 5.8.3 反剪切阿爾文本徵模 133 5.8.4 全局氣球模 134 5.8.5 內扭麯模 134 5.8.6 非圓阿爾文本徵模 135 5.9 迴鏇朗道流體：磁流體的拓展 136 5.9.1 靜電一維為例 136 5.9.2 展開R 136 5.9.3 流體方程 137 習題 139 第6章 等離子體中的波與不穩定性 140 6.1 色散關係求根示例 140 6.2 冷等離子體色散關係 142 6.2.1 k(w)到w(k) 143 6.2.2 數值求解 143 6.2.3 靜電還是電磁 145 6.2.4 等離子體波傳播模擬示例 145 6.3 CMA圖 147 6.4 流體色散關係普適解 147 6.4.1 普適數值方法 148 6.4.2 冷等離子體 150 6.5 熱等離子體中的波與不穩定性 152 6.5.1 色散關係 152 6.5.2 等離子體色散函數 153 6.5.3 等離子體色散函數的Pade近似或多點展開 156 6.5.4 朗道阻尼 157 6.5.5 離子聲波 160 6.5.6 廣義等離子體色散函數 160 6.5.7 WHAMP代碼 162 6.5.8 PDRK代碼 164 6.5.9 電磁色散關係 169 6.5.10 相對論性問題 173 6.6 迴鏇動理學色散關係 173 6.7 半譜法模擬 176 6.7.1 流體簡正模模擬 176 6.7.2 動理學簡正模模擬 179 6.7.3 本徵模模擬 180 習題 181 第7章 等離子體中的碰撞與輸運 182 7.1 二體庫侖碰撞 183 7.2 一維平闆和柱位形中的擴散 185 7.3 隨機行走和濛特卡羅模擬 187 7.3.1 基於隨機函數的輸運基本理論 187 7.3.2 一維隨機行走計算輸運係數 189 7.3.3 二維隨機行走演示 190 7.3.4 列維飛行 192 7.4 濛特卡羅法的更多應用 194 7.4.1 對流擴散方程 194 7.4.2 泊鬆方程 196 習題 198 第8章 動理學模擬 200 8.1 Particle-in-cell模擬 200 8.1.1 *短的PIC代碼 201 8.1.2 朗道阻尼 202 8.1.3 雙流不穩定性 205 8.1.4 含碰撞情況 206 8.1.5 1D3V，伯恩斯坦模 206 8.1.6 其他 209 8.2 Vlasov模擬 209 8.2.1 朗道阻尼 210 8.2.2 其他 212 8.3 f算法 212 8.3.1 f模型 213 8.3.2 綫性模擬 213 8.3.3 靜電一維 214 8.3.4 離子聲波 214 8.3.5 束流不穩定性 218 8.4 電磁模擬和Darwin模型 219 8.5 漂移不穩定性及輸運 220 8.6 迴鏇動理學模擬 223 8.6.1 使用貝塞爾函數 223 8.6.2 使用多點迴鏇平均 227 8.6.3 綫性本徵模問題 231 習題 233 第9章 部分非綫性問題及其他問題 234 9.1 標準映射 235 9.2 捕食者-食者模型 236 9.3 Burgers方程 238 9.4 KdV方程 240 9.5 非綫性薛定諤方程 242 9.6 一個微分積分方程的解 (BB模型) 244 9.7 環位形裝置截麵形狀及不同q(安全因子)分布時的磁場 248 9.8 光跡追蹤 253 9.9 Nyquist圖及柯西圍道積分法求根 254 9.9.1 Nyquist不穩定性分析方法 254 9.9.2 求復平麵指定區域根個數 255 9.10 電荷片模擬 259 9.11 粒子模擬方法補述 262 9.11.1 一維靜電粒子模擬中的問題 262 9.11.2 粒子-粒子模擬 263 9.11.3 分子動力學模擬 263 9.12 再論朗道阻尼 263 9.12.1 Case-van Kampen模 263 9.12.2 Vlasov-Ampere係統 265 9.12.3 連續譜、離散譜和剩餘譜共存 268 習題 271 第10章 附錄 272 10.1 等離子體物理基本參數計算器 272 10.2 矢量、張量和磁麵坐標 273 10.2.1 度規張量與雅可比 273 10.2.2 磁麵坐標 275 10.2.3 零位移情況 278 10.3 各種隨機分布函數的産生 279 10.3.1 贋隨機數 279 10.3.2 任意分布的産生 280 10.3.3 高斯分布的産生 281 10.4 高斯求積 282 10.5 簡振模和本徵模及模結構 283 10.6 阿貝爾反演 283 10.7 數值庫的使用 283 10.8 集群使用簡介 284 10.8.1 Linux使用 284 10.8.2 集群使用 285 10.9 其他實用信息 286 10.9.1 部分網址 286 10.9.2 數值分析方法庫 287 10.9.3 CPC數值庫 287 10.9.4 Mathematica軟件的符號推導功能 288 10.9.5 等離子體物理主要期刊 289 習題 290 參考文獻 291

編輯推薦

等離子體物理專業的研究生和高年級本科生，也可作為計算等離子體物理研究的手冊使用

文摘

序言

好的，以下是一本涵蓋計算物理，特彆是計算等離子體物理領域，但不包含您提及的《計算等等離子體物理導論》（謝華生，科學齣版社）中具體內容的圖書簡介： --- 《高維復雜係統中的數值模擬與計算方法：從流體力學到多尺度等離子體動力學》 內容簡介 本書旨在為從事計算物理、計算流體力學、計算等離子體物理以及相關交叉學科研究的學者、高級本科生和研究生提供一套全麵且深入的數值模擬方法論與實踐指南。我們聚焦於如何將抽象的物理模型轉化為高效、穩定且精確的計算機代碼，特彆是針對那些在多尺度、非綫性以及高維空間中錶現齣復雜行為的物理係統。 全書內容涵蓋瞭從基礎的數值分析到尖端的多尺度模擬技術，強調理論基礎與實際應用之間的緊密結閤。我們深入探討瞭處理守恒律方程、擴散方程以及動力學方程組的通用策略，並輔以大量實際算例和編程實踐指導。 第一部分：計算物理基礎與數值方法精要 本部分奠定瞭堅實的數學和計算基礎。我們首先迴顧瞭數值分析的核心概念，包括誤差分析、收斂性與穩定性判據，這是構建可靠模擬代碼的基石。 離散化技術： 詳細講解瞭有限差分法（FDM）的構造、優缺點及其在高階導數處理中的應用。隨後，重點介紹瞭有限體積法（FVM）在處理守恒型方程（如流體力學、磁流體力學）中的優越性，特彆是如何保證數值通量計算的物理一緻性。我們還會對有限元法（FEM）進行係統梳理，闡述其在處理復雜幾何邊界和非均勻網格上的優勢。 時間積分方案： 覆蓋瞭從顯式、隱式到半隱式時間推進算法。對於常微分方程組的求解，我們細緻分析瞭歐拉法、龍格-庫塔法（RK係列）的精度與穩定性平衡。特彆關注瞭處理剛性（Stiff）問題的有效數值方法，這在許多等離子體動力學模型中至關重要。 綫性代數求解器： 在求解大型稀疏綫性係統時，直接法（如LU分解）因內存限製通常不適用。因此，本書詳盡闡述瞭迭代法，包括雅可比法、高斯-賽德爾法，以及更高效的Krylov子空間方法，如共軛梯度法（CG）、廣義最小殘量法（GMRES）及其預條件子的構造策略。 第二部分：復雜流體動力學模擬 本部分將理論應用於經典的連續介質動力學，為後續更精細的等離子體模擬打下基礎。 可壓縮流體動力學（CFD）： 重點討論瞭求解Navier-Stokes方程組的數值技巧。我們深入研究瞭處理激波和不連續結構的方法，包括Godunov型高分辨率格式（如Roe, HLLC, AUSM+等），它們是現代衝擊波模擬的核心。此外，我們也探討瞭處理網格自適應（AMR）技術，以在保持計算效率的同時，精確捕捉局部物理現象。 磁流體力學（MHD）方程組的數值求解： MHD是連接流體和電磁場的橋梁。本書著重討論瞭MHD模擬中的一個核心挑戰——保持磁場無散度約束 ($ abla cdot mathbf{B} = 0$)。我們將對比幾種主流的約束條件處理技術，例如投影法、Powell源項懲罰法，以及更具魯棒性的散度清除算法（Divergence Cleaning）。 第三部分：多尺度與動力學模擬前沿 本部分邁嚮更精細的、需要考慮粒子行為的等離子體模擬領域，探討如何跨越不同的時間與空間尺度。 玻爾茲曼方程與矩方法： 當宏觀近似（如MHD）失效時，我們需要訴諸更基礎的描述。本書介紹瞭如何數值求解玻爾茲曼方程。鑒於直接求解玻爾茲曼方程的維度災難，我們詳細闡述瞭矩展開方法，特彆是流體模型（如Generalized Ohm's Law models）的推導與數值實現，以及如何通過更高階矩（如Chapman-Enskog展開）來修正經典模型。 粒子模擬方法（PIC）： 粒子網格法（Particle-in-Cell, PIC）是研究等離子體微觀過程和波動傳播的有力工具。我們將細緻講解PIC循環的每個階段：粒子運動的積分（例如使用Boris推子算法）、電磁場的插值、電荷/電流在網格上的分配，以及泊鬆方程的求解。重點分析瞭PIC模擬中常見的數值噪聲來源及其抑製方法。 多尺度耦閤策略： 現代等離子體物理現象往往橫跨電子（皮秒級）到離子（微秒級），再到整體（毫秒級）的時間尺度。本書探討瞭耦閤不同尺度模型的方法論： 混閤模型（Hybrid Methods）： 例如，電子采用流體描述，而離子采用PIC模擬。 時間尺度分離（Time-stepping Separation）： 如何設計具有不同時間步長的耦閤算法，以兼顧全局穩定性和局部精度。 第四部分：高性能計算與應用 本書最後一部分關注如何將復雜的算法部署到現代高性能計算（HPC）架構上。 並行計算基礎： 簡要介紹MPI（Message Passing Interface）和OpenMP，講解如何將空間離散化的數據結構閤理地分布到多個計算節點上（如領域分解）。 GPU加速計算： 鑒於GPU在處理大量獨立計算任務上的優勢，我們探討瞭使用CUDA或OpenCL框架對關鍵計算模塊（如加密積分、矩陣嚮量乘法）進行加速的實踐經驗。 本書特色： 本書的重點不在於復現某一特定領域的成熟結論，而在於提供一套普適的、麵嚮工程實現的計算工具箱。每一章都強調數值方法的設計哲學、潛在綫性係統與剛性問題，並引導讀者思考如何將這些抽象方法應用於具體物理問題的轉化與求解中。通過大量的僞代碼和算法流程圖，讀者可以係統性地構建自己的高效模擬程序。 ---

評分☆☆☆☆☆

我尤其欣賞作者在章節末尾設置的那些“思考題”或“進一步探索”的引導性描述。它們不是簡單的課後練習，而更像是對讀者思維的拓展和激勵。這些部分往往會拋齣一個開放性的問題，或者指齣當前主流方法存在的局限性，促使讀者思考“為什麼是這樣？”而不是僅僅滿足於“它是這樣”。這種鼓勵批判性思維和主動探索的精神，纔是真正的學術啓濛。它讓這本書超越瞭傳統教科書的範疇，成為瞭一本可以伴隨研究生涯成長的參考書，每一次重讀，也許都能在不同的知識背景下，發掘齣作者當年留下的那些深層次的學術綫索和前沿方嚮的預示。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計著實讓人眼前一亮，硬殼封麵搭配精緻的插圖，散發著一種沉穩而專業的學者氣息。初拿到手的時候，就能感受到紙張的質感相當不錯，閱讀起來非常舒適，即便長時間翻閱，眼睛也不會感到疲勞。內頁的排版布局也十分講究，疏密有緻，關鍵公式和圖錶的引用都清晰明確，這對於需要反復查閱的專業書籍來說，無疑是一個巨大的加分項。清晰的結構和易讀的版式，極大地提升瞭學習的效率，讓人在麵對復雜概念時，不至於被滿屏的文字壓得喘不過氣。可以說，從物理層麵的觸感到視覺體驗，這本書在細節處理上體現瞭齣版社的專業水準，完全配得上它所承載的深奧知識體係。

評分☆☆☆☆☆

這本書的語言風格，用一個詞來形容，那就是“精確到近乎苛刻”。每一個術語的引入都經過瞭深思熟慮，每一個論證的步驟都力求無懈可擊。雖然有時候這種嚴謹性會讓閱讀的節奏稍微放緩，因為你必須停下來仔細咀嚼那些專業詞匯的確切含義，但正是這種不容置疑的精確性，保證瞭讀者所接收到的信息的純淨度和可靠性。它仿佛在嚮讀者發齣挑戰：這不是一本可以被快速翻閱的書，它要求你拿齣對待科學研究應有的尊重和專注。對於希望建立紮實基礎、避免日後産生錯誤理解的讀者而言，這種“硬核”的錶達方式，恰恰是最大的價值所在。

評分☆☆☆☆☆

盡管我尚未深入探究到每一個復雜的數學推導細節，但從整體的敘述邏輯來看，作者在構建知識體係方麵展現瞭極高的洞察力。他似乎很擅長抓住初學者的思維盲點，總能在關鍵轉摺點提供直觀的物理圖像或類比，這比那些純粹堆砌公式的教材要人性化得多。特彆是對於等離子體這種抽象概念的闡釋，作者沒有直接跳入高深的理論，而是循序漸進，從宏觀現象入手，逐步剖析微觀機製，這種層層遞進的處理方式，極大地降低瞭初次接觸該領域的心理門檻。那種仿佛有一位經驗豐富的導師在身邊耐心指導的感覺，貫穿瞭整本書的閱讀過程，讓人感到既嚴謹又不失溫度。

評分☆☆☆☆☆

這本書的深度和廣度確實令人敬佩，它不僅僅是一本入門讀物，更像是對整個計算等離子體物理領域的一次高質量的“地圖繪製”。我注意到作者在介紹完基礎理論後，緊接著就引入瞭不同的數值方法及其適用場景，這種理論與實踐的緊密結閤，是很多同類書籍所欠缺的。它沒有滿足於停留在錶麵的描述，而是深入探討瞭不同算法背後的物理假設、計算效率的權衡，甚至是對結果可靠性的評估標準。這對於希望未來能將所學知識應用於實際科研工作的人來說，提供瞭寶貴的實戰指導，讓我對未來可能遇到的數值難題有瞭預先的心理準備和解決思路的框架。