Meshfree and Particle Methods pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:John Wiley and Sons Ltd

作者:Ted Belytschko

出品人:

页数:384

译者:

出版时间:2007-08-03

价格:USD 140.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780470848005

丛书系列:

图书标签:

• 力学
• SPH
• Meshfree Methods
• Particle Methods
• Computational Mechanics
• Numerical Analysis
• Engineering Simulation
• Finite Particle Method
• Smoothed Particle Hydrodynamics
• Lagrangian Methods
• Computational Physics
• Fracture Mechanics

《流体力学中的无网格和粒子方法》 本书深入探讨了计算流体力学（CFD）领域中，近年来迅速发展的无网格（meshfree）和粒子（particle）方法。这些方法在处理几何复杂性、大变形问题以及多相流等传统网格方法面临挑战的场景时，展现出强大的优势。 核心内容与技术方法： 本书首先系统性地介绍了构成无网格和粒子方法理论基础的关键概念。这包括： 离散化原理： 阐述了如何将连续的物理域离散化为一组不规则分布的节点或粒子，以及不同离散化策略（如基于核函数的插值、基于形函数的插值等）的原理、优缺点及适用范围。 基本方程的离散化： 详细讲解了如何将Navier-Stokes方程、能量方程等描述流体运动和能量传递的基本偏微分方程，转化为适用于无网格和粒子方法的代数方程组。重点关注各种离散化格式的推导过程，例如移动最小二乘法（MLS）、核近似法（RPIM/RKPM）、无网格伽辽金法（FEM-based meshfree）等，以及它们在精度和稳定性的权衡。 粒子方法详解： 重点介绍两种核心的粒子方法： 光滑粒子动力学（SPH）： 详尽阐述SPH的插值核函数、粒子平均、动量方程、连续性方程、能量方程以及压力和黏性项的处理。本书将深入讨论SPH在处理自由表面流、多相流、爆炸冲击波以及天体物理模拟中的应用，并重点分析SPH在数值稳定性、边界处理和计算效率方面的改进技术，如修正SPH（SPH_C）、无黏性SPH（ISPH）、有限体积SPH（FV-SPH）等。 粒子流（Particle-based Fluid）： 介绍其他粒子流方法，如光滑粒子流体动力学（MPS）、无网格粒子流体动力学（NPSS）等。详细分析这些方法的物理模型、离散化技术以及它们与SPH在数学框架和应用领域上的异同。 关键技术与挑战： 本书不仅关注基本算法，还深入探讨了这些方法在实际应用中遇到的关键技术问题及解决方案： 边界处理： 无网格和粒子方法在处理复杂几何边界时存在固有挑战。本书将详细介绍各种先进的边界条件处理技术，包括虚粒子法、镜像粒子法、固定粒子法、以及基于物理的边界力模型等，并分析它们在不同边界类型（如刚壁、柔性边界、自由表面）下的适用性。 稳定性与精度： 探讨影响数值稳定性和精度的关键因素，如粒子间距、核函数选择、时间积分方案、以及伪粘性等人工耗散机制的应用。本书将介绍最新的稳定化技术，以提高计算的可靠性。 多相流模拟： 重点阐述无网格和粒子方法在处理具有显著界面分离的多相流问题上的优势，包括液-液、气-液、固-液等。详细介绍界面追踪、相间耦合力、质量守恒等关键问题，以及针对性的算法和模型。 湍流模型： 讨论如何将成熟的湍流模型（如RANS、LES）耦合到无网格和粒子框架中，以实现对湍流流动的精确模拟。介绍不同湍流模型在粒子方法中的实现细节和性能评估。 计算效率与并行化： 随着模拟规模的增大，计算效率成为关键。本书将介绍粒子数据结构优化、邻域搜索算法（如KD树、球搜索）以及并行计算技术（如MPI、OpenMP、GPU加速）在无网格和粒子方法中的应用，以提高大规模模拟的可行性。 应用领域： 本书将通过丰富的案例研究，展示无网格和粒子方法在以下领域的广泛应用： 水动力学与海洋工程： 船舶和海洋结构物的水动力性能分析，海浪与结构的相互作用，溢油模拟，海岸侵蚀等。 航空航天工程： 高速飞行器周围的空气动力学，发动机燃烧室流动，火星探测器着陆过程模拟。 生物医学工程： 血液流动模拟，瓣膜动力学，药物输送，组织力学。 材料科学与制造： 冲击波传播，材料破碎与成形，金属液滴喷射。 环境科学： 大气污染物扩散，地表水体模拟，地下水污染。 学习价值： 本书适合计算流体力学、工程力学、物理学、材料科学以及相关领域的科研人员、工程师和研究生。通过系统学习，读者将能够： 深入理解无网格和粒子方法的理论基础和核心算法。 掌握不同方法的优势和局限性，并能根据具体问题选择合适的数值方法。 了解处理复杂边界、提高数值稳定性和计算效率的关键技术。 掌握将这些先进方法应用于解决实际工程和科学问题的能力。 本书力求内容严谨、讲解清晰，并辅以大量的图示和算例，旨在为读者提供一个全面、深入的学习平台，以应对计算流体力学领域日益增长的挑战。

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这本《网格无关与粒子方法》的书籍，对于初涉计算力学领域的研究者来说，无疑是一剂强心针。作者以极其严谨的笔触，系统梳理了从基础理论到前沿应用的整个脉络。我印象最深的是其对拉格朗日点方法的深入剖析，特别是与传统有限元方法的对比，简直是醍醐灌顶。书中不仅详述了光滑粒子流体力学（SPH）的数学基础，更难能可贵的是，它并未停留在纯理论的阐述，而是通过大量的实际工程案例，如复杂流体动力学模拟、材料断裂分析等，展现了这些方法的强大威力。阅读过程中，我能清晰地感受到作者对每一个公式推导的精益求精，每一个物理背景的交代都恰到好处，使得即便是面对复杂的偏微分方程求解，读者也能按图索骥，逐步领悟其内在的逻辑。对于那些希望在计算建模领域深耕，尤其是在处理大变形、自由表面流等传统方法力不从心的场景下，这本书提供了一套成熟且富有洞察力的工具箱。它不是一本速成手册，而是一部需要耐心研读的经典，每一次翻阅都会有新的收获。

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这本书的论述结构严谨得像是精密仪器，每一个章节都像是一个模块，既可以独立理解，又紧密地服务于整体目标。我欣赏它对粒子方法在接触与碰撞问题中应用的详尽描述，这在许多同类书籍中往往是一笔带过的内容。作者详细分析了粒子间相互作用力的计算方法，以及如何有效地避免穿透和粘滞效应。此外，书中对拉格朗日方法处理对流项的固有优势与计算噪声问题的平衡处理，提供了一套非常实用的处理框架。对于希望利用这些先进数值方法来模拟极端条件（如超高速撞击、爆炸效应等）的研究者来说，这本书提供的高分辨率、高保真度的模拟策略是无可替代的资源。它要求读者具备扎实的数学基础，但一旦跨越了初期的理解门槛，便能感受到这种无网格方法的巨大自由度和潜力。这本书的价值，在于它将理论的严谨性与工程的实用性完美地结合在了一起，是一部值得反复阅读和珍藏的工具书。

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老实说，这本书的内容深度和广度，完全超出了我最初的预期。我原本以为这只是关于某一特定粒子方法（比如Smoothed Particle Hydrodynamics）的综述，但事实远比我想象的要丰富得多。作者巧妙地将无网格方法（Meshfree Methods）作为一个更宏大的框架来构建全书的逻辑。特别是关于径向基函数（RBF）插值在求解偏微分方程中的应用那一章，讲得非常到位。它不仅解释了为什么RBF在处理不规则几何体和高维问题时具有优势，还非常坦诚地指出了其在数值稳定性和计算成本上的局限性，这种平衡的视角极其宝贵。我特别欣赏书中对于“尺度效应”的讨论，这往往是许多教科书会忽略的关键细节。它提醒我们，在选择和实现数值方法时，必须时刻关注离散化误差如何影响宏观物理现象的再现。这本书无疑是一本高质量的专业参考书，适合已经掌握了基础数值分析，希望向更高级、更灵活的模拟技术迈进的工程师和学者。

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作为一名长期从事计算流体力学的研究人员，我一直在寻找一本能够清晰阐述粒子方法在非结构化、高动态环境下的内在机理的书籍。这本《网格无关与粒子方法》恰好满足了我的需求。书中关于物质点方法（MPM）与传统网格方法的融合策略，特别是如何解决应力场的局部化问题，简直是教科书级别的阐释。我尤其关注了关于“时间积分方案”的章节，作者对显式和隐式方法的选择标准、以及如何通过优化时间步长来维持稳定性的讨论，具有极强的实践指导意义。它不是那种只会堆砌公式的著作，而是充满了对数值物理直觉的培养。阅读过程中，我时常停下来，思考作者提出的那种“将物理量在物质点和背景网格间映射”的思想，如何更有效地应用于我目前正在攻克的冲击动力学问题。这本书的价值在于，它不仅教你“如何做”，更深层次地教你“为什么这样做”。

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这本书的排版和语言风格，透露出一种沉稳的学术气息，但绝不枯燥。我喜欢它在介绍新概念时所采用的循序渐进的方式。例如，在介绍粒子方法如何处理边界条件时，作者没有直接跳到复杂的插值技巧，而是先用二维简单的边界流动问题来阐述基本思想，然后逐步推广到三维复杂结构。这种教学设计非常人性化。对我个人而言，最大的价值在于它系统地比较了不同无网格方法的优劣势——从早期基于梯度的动量方程解法，到后来发展出的基于场的近似方法。书中对各种方法的收敛性和精度分析也给出了清晰的论述，这对于我们进行方法选择和参数标定至关重要。我感觉作者不仅是一位领域的专家，更是一位优秀的导师，他知道在哪个节点提供什么样的信息最能帮助读者建立起完整的知识体系。这本书的深度足以支撑博士阶段的研究，其提供的见解也足够指导工业界的实际应用。

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