海洋运动体控制原理 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:哈尔滨工程大学出版社

作者:王科俊

出品人:

页数:290

译者:

出版时间:2005-5

价格:26.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787810736480

丛书系列:

图书标签:

• 海洋工程
• 运动控制
• 船舶工程
• 水下机器人
• 动力学
• 自动控制
• 海洋技术
• 系统工程
• 控制理论
• 机器人学

现代流体动力学与复杂系统建模 本书聚焦于前沿的流体力学理论在工程实践中的应用，特别是针对非牛顿流体、多相流体系的精确数值模拟方法，以及在极端工况下对系统稳定性与动态特性的深入剖析。 --- 第一部分：高精度流场数值模拟基础与进阶 第一章：湍流模型理论的再审视与改进 本章从雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的建立出发，系统梳理了标准 $k-epsilon$ 模型、 $k-omega$ 模型及其剪切修正模型（如SST模型）的物理基础、数学结构及其在处理壁面边界层和分离流问题时的局限性。重点探讨了各向异性湍流对复杂几何结构中流动特性的影响，并引入了基于大涡模拟（LES）的亚网格尺度（SGS）模型的最新发展，特别是谱方法和基于机器学习的SGS模型构建思路。对边界条件的处理进行了深入探讨，包括周期性边界、非反射边界在模拟强对流问题中的优化策略。 第二章：非牛顿流体的本构关系与数值求解 针对高分子溶液、泥浆、血液等粘性随剪切速率变化的流体，本章详细阐述了幂律模型、卡门-辛格尔模型（Carreau-Yasuda）以及Bingham塑性模型的数学描述。在数值求解方面，重点剖析了如何将这些本构关系耦合到有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）框架中，特别是如何处理高剪切率下的粘度奇异性问题。引入了流线迎风/迎风（Streamline Upwind/Petrov-Galerkin, SUPG）等高精度格式在稳定对数对数对流-扩散方程中的应用，以避免数值振荡。 第三章：多相流动的相间作用力精确量化 本章致力于描述和量化流体中不同相体之间的相互作用。详细介绍了欧拉-欧拉（E-E）模型、欧拉-拉格朗日（E-L）模型以及相场法（Phase Field Method）在描述气液、固液、气液固三相流中的适用性。重点放在动量守恒方程中相间传递项（如曳力、升力、虚拟质量力）的精确建模，特别是对于颗粒-湍流相互作用的考虑，如Drag-Corrected Subgrid Model（DCSM）在颗粒流中的应用。讨论了界面捕捉技术，如体积力法（VOF）和水平集方法（Level Set Method），并对比了它们在处理界面演化和拓扑变化时的优劣。 第四章：动网格技术与自适应网格加密 在模拟具有剧烈运动边界（如气动弹性问题、冲击波传播）时，采用固定网格难以精确跟踪界面。本章探讨了ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法在处理网格变形中的应用，以及网格重构技术，如径向基函数（RBF）插值法在网格平滑中的作用。此外，介绍了基于误差估计的自动网格加密（h-refinement）和分层网格技术，用于在关键物理区域（如高梯度区域、激波面）内集中计算资源，提高计算效率和解的精度。 --- 第二部分：复杂物理场耦合与系统动力学分析 第五章：热流固耦合（FSI）中的计算挑战 本章深入探讨了流体与固体结构之间双向耦合问题。从固体力学的线性弹性、超弹性模型出发，结合流体力学的 Navier-Stokes 方程，构建了耦合方程组。详细介绍了完全耦合（Monolithic）和分区解耦（Partitioned）两种求解策略的实现细节，特别是分区策略中信息传递的迭代收敛性分析，如亚松弛技术（Sub-iteration Techniques）。在实际应用中，重点分析了结构柔性对流场分布的影响，例如柔性翼的颤振现象。 第六章：电磁流体力学（MHD）基础与应用 针对在强磁场下导电流体（如等离子体、熔融金属）的流动，本章阐述了磁场对方程组的附加作用。包括洛伦兹力项的引入、电磁感应的计算以及磁场输运方程的求解。重点讨论了磁流体动力学边界层（Hartmann层）的特性，以及在核聚变反应堆包层设计中的应用，涉及非线性方程组的稳定求解方法，如SIMPLE算法的MHD修正版本。 第七章：随机过程在流体力学中的应用 当外部激励或系统参数具有不确定性时，传统的确定性模拟无法完全刻画系统行为。本章引入了随机微分方程（SDE）来描述时间相关的随机扰动。介绍了圣彼得堡方法（Stochastic Collocation Method）和混沌多项式展开（Polynomial Chaos Expansion, PCE）在量化流体系统不确定性传播中的应用，用于评估系统在随机载荷下的可靠性指标。 第八章：基于模型的系统辨识与控制 本章将流体动力学模型作为被控对象，探讨如何从实验或高保真仿真数据中提取有效的低阶动力学模型。介绍了模态分析（如POD, Principal Component Analysis）在降维建模中的应用，用于提取关键的流场特征模态。在此基础上，探讨了线性二次调节器（LQR）和模型预测控制（MPC）在主动抑制流场脉动和优化混合效率中的具体设计与实施步骤，特别是针对高维流体系统的实时控制挑战。 --- 第三部分：计算资源的优化与高性能计算 第九章：大规模并行计算的架构与策略 现代流体力学模拟严重依赖高性能计算集群。本章聚焦于如何高效地在数千个核心上并行求解大规模偏微分方程组。详细介绍了领域分解（Domain Decomposition）方法，如基于MPI的非重叠和重叠划分策略。特别探讨了迭代求解器（如GMRES, BiCGSTAB）在并行环境下的预处理技术，例如代数多重网格（AMG）预处理器在处理大规模稀疏线性系统时的效率提升。 第十：GPU加速与深度学习加速的计算范式 本章关注将计算密集型的流体算法迁移至图形处理器（GPU）以实现数量级的加速。介绍了CUDA/OpenACC编程模型在实现有限差分或有限体积算子上的优化技巧，如数据局部性优化和线程块同步策略。此外，探讨了如何利用深度学习（如卷积神经网络CNN）来替代传统数值求解器中的某些昂贵步骤，例如利用神经网络代理模型（Surrogate Models）快速预测湍流粘性系数或进行解的超前预测，以实现混合数值-AI加速的计算范式。 --- 结论： 本书为具备扎实数学物理基础的研究人员和高级工程师提供了从微观本构关系到宏观系统控制的完整技术框架，旨在推动复杂流体系统分析与工程设计进入高精度、高效率的新阶段。内容深度和广度均超越传统流体力学教材，直击当前计算科学与工程交叉领域的前沿痛点。

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坦白讲，这本书的语言风格非常学术化，行文节奏沉稳，充满了精确的工程术语，读起来需要极高的专注度。它似乎更倾向于服务于已经具备一定控制理论基础的读者，对于希望快速了解水下机器人基本操作的门外汉来说，可能门槛稍高。但我认为这种深度恰恰是它的价值所在。书中关于多体系统耦合动力学和分布式控制架构的探讨，为设计更大型、更复杂的海洋观测网络提供了理论蓝图。特别是对水下集群协作的探讨，作者没有停留在简单的分布式路径规划上，而是深入到了通信受限环境下的协同决策机制，这体现了作者对前沿研究领域的敏锐洞察。这本书像是为未来的深海机器人系统工程师们准备的“内功心法”，它所提供的理论深度和广度，足以支撑未来十年内该领域的技术发展方向。

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这本《海洋运动体控制原理》真是让我大开眼界，从头到尾都充满了对海洋深处那些精密机械的敬畏。书里对各种水下机器人的运动学和动力学分析简直是教科书级别的严谨。我特别喜欢作者在讲解滑模控制和自适应控制算法时，那种层层递进的逻辑感。举个例子，书中关于无人潜水器（UUV）在复杂海流中轨迹跟踪的章节，不仅仅是抛出公式，而是深入探讨了如何利用有限观测数据来估计环境干扰，并实时修正控制律，这种实战性极强的理论推导，让那些原本枯燥的数学模型瞬间变得鲜活起来。我甚至能想象出工程师们在实验室里调试算法，试图让一个庞然大物在深海中精准定位时的那种专注。这本书绝不仅仅是停留在概念层面，它提供的具体案例和仿真结果，都为实际工程应用铺平了道路，让人深感理论与实践之间那座桥梁是如何被这座知识大厦搭建起来的。对于任何想深入了解水下机器人控制系统的专业人士来说，这都是一份不可多得的宝藏。

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读完这本书，我最大的感受是，作者对“稳健性”的执着几乎渗透到了每一个章节。在海洋这种不可预测的环境中，任何一点微小的误差都可能导致任务失败甚至设备损毁。这本书花了大量的篇幅来讨论如何设计出在面对水动力变化、推进器故障或外部冲击时，依然能保持稳定性能的控制系统。我尤其欣赏作者对鲁棒控制方法在AUV（自主水下航行器）深度保持方面的应用分析，他不仅仅介绍了经典的设计方法，还探讨了如何通过在线辨识参数来应对腐蚀或污损对水动力特性的影响。这种前瞻性的思考，让这本书的价值远远超过了一本简单的教科书，它更像是一份面向未来的工程指南。那些关于最优控制的讨论，虽然数学上很复杂，但其核心思想——在约束下追求最优性能——在海洋探索的语境下被阐释得淋漓尽致，让人对未来深海作业的可靠性充满了信心。

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我以一个初学者的身份接触这本书时，老实说，一开始有点被吓到，那些微分方程和拉格朗日方程铺面而来，感觉像是直接跳进了最深的海沟。但是，作者的叙事方式，虽然学术性很强，却有一种奇妙的引导力。他似乎非常懂得如何将高深的控制理论，比如H-无穷控制或者基于模型的预测控制（MPC），与海洋运动体的特定约束条件——比如水下仿生机器人的非线性和高延迟——巧妙地结合起来。最让我印象深刻的是对传感器融合技术在水下导航中的应用分析。书里详细对比了惯性导航系统（INS）与声学定位系统（如USBL）的数据是如何通过卡尔曼滤波进行最优估计的，这种处理噪声和不确定性的细致入微，远超我预期的深度。我不是说这本书读起来轻松，但每攻克一个难关，都能获得巨大的成就感，它真正教会了我如何“驯服”水下这个充满挑战性的环境。

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这本书的结构安排，简直是为系统工程爱好者量身定做的。它没有急于求成地堆砌复杂的控制算法，而是先花了相当的篇幅来建立精确的数学模型，包括水动力阻力、浮力矩和惯性特性等，这部分工作的基础性至关重要。我欣赏作者那种“不打无准备之仗”的治学态度，只有模型足够贴近真实物理世界，后续的控制设计才有意义。随后，对反馈线性化技术的深入剖析，让我看到了如何将非线性系统“简化”到可以应用经典线性控制器的巧妙手法。对我个人而言，理解了如何将这些理论模型应用于固定翼水下飞行器（UUV）的姿态稳定时，那种茅塞顿开的感觉是无与伦比的。这本书的论证过程严密，注释详实，简直是一部严谨的学术作品，值得反复研读和对照实践。

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