Fluid Dynamics: Theory, Computation, and Numerical Simulatio

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页数:901
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出版时间:2016-8
价格:0
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isbn号码:9781489979902
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  • 物理-流体力学
  • 数学-数值分析
  • 流体力学
  • 数学
  • 力学
  • 流体力学
  • 计算流体力学
  • 数值模拟
  • 理论
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具体描述

好的,以下是关于一本假设的书籍的详细简介,这本书的内容与《流体力学:理论、计算与数值模拟》完全无关。 --- 《宇宙演化与结构形成:从暴胀到星系团》 作者: 艾丽斯·陈(Alice Chen) 出版社: 宇宙学前沿出版社 出版日期: 2024年秋季 ISBN: 978-1-948822-56-1 页数: 850页 --- 书籍简介: 《宇宙演化与结构形成:从暴胀到星系团》是一部里程碑式的巨著,旨在全面梳理现代宇宙学中最核心、最前沿的课题——宇宙大尺度结构的起源与演化。本书不仅深入探讨了宇宙从其极早期阶段到今日复杂结构形成的物理机制,更巧妙地将理论物理的严谨性与天文观测的丰富性相结合,为读者构建了一幅从微观量子涨放到宏观星系网络演变的宏大图景。 本书分为七大部分,共计三十章,结构清晰,逻辑严密,旨在成为物理学专业学生、研究人员以及对宇宙学有浓厚兴趣的科学爱好者的权威参考资料。 第一部分:早期宇宙的基石 本部分聚焦于宇宙学的理论基础和早期事件。开篇回顾了广义相对论在宇宙学中的应用,详细阐述了弗里德曼方程的推导及其在描述宇宙膨胀中的核心作用。随后,本书深入讲解了“暴胀理论”——这个解释了宇宙均匀性、平坦性和磁单极子问题的关键机制。陈博士详细分析了不同暴胀模型(如单场暴胀、多场暴胀)的动力学,并着重讨论了暴胀期间产生的量子涨落如何成为日后结构形成的“种子”。这一部分对量子场论在弯曲时空中的处理进行了细致的梳理,为理解后续的密度扰动奠定了坚实的数学和物理基础。 第二部分:宇宙微波背景辐射(CMB) CMB是宇宙“婴儿时期”的快照,也是检验宇宙学模型的黄金标准。本书用大量篇幅分析了CMB的产生机制、偶极各向异性、以及最重要的——温度和极化功率谱。作者详细解释了重组时期等离子体耦合的物理过程,以及对流层(Acoustic Oscillations)在早期物质-光子流体中留下的印记。特别值得一提的是,本书引入了最新的观测结果,如普朗克卫星和南极望远镜的数据分析方法,探讨了原初引力波(B模式极化)的搜索前景及其对暴胀参数的约束力。 第三部分:物质的演化与暗物质的主导 在宇宙早期,物质的密度分布并不均匀。本部分详细分析了暗物质在结构形成中的核心作用。作者首先回顾了暗物质的候选者及其检验标准,随后转向流体力学方法在描述物质演化中的应用。尽管本书不涉及流体力学细节,但它运用了流体近似来描述早期宇宙中重子和暗物质的集体行为——即线性引力不稳定性的发展。本书详细推导了物质功率谱的演化方程,解释了“主导时期”的过渡,即宇宙从由辐射主导转向由物质主导的关键转折点。对冷暗物质(CDM)模型进行了深入探讨,并对比了温热暗物质(WDM)模型可能带来的观测差异。 第四部分:线性与非线性引力坍缩 随着宇宙的膨胀减速,物质的微小密度涨落开始在引力作用下增长。本部分是本书的理论核心之一。作者从背景场的演化出发,推导了引力不稳定性的线性增长方程,并引入了功率谱的演化函数。随后,重点转向了非线性阶段的模拟和解析方法。本书详细介绍了“激发势能理论”(Spherical Top-Hat Collapse Model)和“艾基隆(Zel’dovich)近似”,这些是理解晕结构形成和并合过程的起点。对于非线性增长的描述,本书引入了功率谱的重整化方法和“峰值理论”(Peak Theory)的概念,为后续的数值模拟结果提供了理论解释框架。 第五部分:暗物质晕的形成与性质 星系栖息于被称为“暗物质晕”的引力势阱之中。本书专门开辟章节,探讨了暗物质晕的内部结构和形成历史。通过对“分级合并”(Hierarchical Merging)假说的深入阐述,读者可以理解大型晕如何由较小的子结构不断吸积形成。本书详细分析了Halo的密度剖面(如NFW和Einasto剖面)的物理起源,并讨论了如何通过数值模拟(如Gadget和Arepo代码)来生成这些结构。此外,本部分还讨论了暗物质晕的动力学特征,如潮汐瓦解、拖曳效应以及暗物质的非碰撞性。 第六部分:星系与气体冷却 暗物质晕提供了引力骨架,但星系的形成和恒星的诞生依赖于重子物质——主要是气体。本部分探讨了气体如何被捕获、冷却并坍缩到晕的中心。作者详细分析了冷却机制,包括辐射冷却(特别是用于电离氢和氦的冷却机制),以及星系内部恒星形成反馈(如超新星爆发)对气体动力学的反作用。本书还讨论了“再电离时代”,即第一批恒星和活动星系核(AGN)如何将宇宙中的中性氢重新电离的过程,以及这对后续结构演化的影响。 第七部分:大尺度结构与观测检验 本书的最后一部分将理论模型与实际观测联系起来。详细介绍了用于绘制宇宙大尺度结构的两种主要工具:星系红移巡天(如SDSS、DESI)和弱引力透镜效应。作者不仅解释了如何从这些观测数据中提取功率谱和相关函数,更重要的是,如何使用这些数据来检验标准$Lambda$CDM模型的参数,特别是对暗能量的性质和暗物质的属性进行约束。本书最后展望了未来十年的观测计划,如欧几里得太空望远镜,以及它们可能揭示的超越标准模型的物理学迹象,例如早期宇宙的非斯托克斯涨落或暗物质的非平凡相互作用。 总结: 《宇宙演化与结构形成》以其无与伦比的广度和深度,系统地梳理了从宇宙极早期到星系团形成的完整链条。它不仅是理论宇宙学家必备的参考书,也为天体物理学家提供了理解观测数据的坚实理论基础。本书的叙述风格既不失严谨的数学推导,又充满了对宇宙之美的深刻洞察。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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这本书的作者们显然对流体力学的教学有着深刻的理解,他们以一种非常适合读者循序渐进学习的方式来构建内容。《流体动力学:理论、计算与数值模拟》并非一股脑地抛出所有知识点,而是巧妙地将理论、计算和模拟有机地串联起来。在理论部分,他们不会回避那些核心的偏微分方程,比如Navier-Stokes方程,但他们会将其分解,并逐步解释方程的物理含义,以及其中各项的代表意义。在引入数值计算方法时,他们也并非孤立地讲解数学公式,而是始终围绕着如何用这些方法来求解流体力学方程,例如在讲解有限体积法时,就会展示如何通过对控制体积进行积分来推导出离散方程。这种“理论驱动计算,计算支撑模拟”的学习逻辑,让我能够更好地理解每个知识点为何存在,以及它们在整个流体力学研究体系中扮演的角色。这种精心设计的学习路径,大大降低了学习的门槛,并且增强了学习的连贯性。

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《流体动力学:理论、计算与数值模拟》在数值模拟的实例分析上,给我留下了深刻的印象。它不仅仅是讲解了各种数值方法,更是将这些方法与实际的工程问题紧密结合起来,提供了一系列高质量的案例研究。从简单的二维方腔流动,到复杂的翼型绕流,再到多相流和燃烧等问题,书中都提供了详细的模拟流程和结果分析。我最喜欢的是书中对一个典型的工程师在解决实际问题时可能遇到的挑战进行了细致的描绘。例如,在处理某个特定的工程问题时,需要考虑哪些物理模型?如何选择合适的网格密度和分辨率?边界条件应该如何设定才能最准确地反映真实情况?求解器参数应该如何调整以兼顾精度和效率?等等。这些问题的解答,都通过具体的算例得以体现。书中的图表也非常丰富,清晰地展示了模拟结果,并且作者们会引导读者去分析这些结果,理解其物理意义,并与其他可用的数据进行对比验证。这让我深刻理解到,数值模拟不仅仅是一个技术过程,更是一个需要工程师的经验和判断来指导的科学活动。

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在学习《流体动力学:理论、计算与数值模拟》的过程中,我最大的感受是作者们对于知识体系的构建极其严谨和完整。他们没有将流体力学切割成孤立的理论、计算和模拟三个部分,而是将它们有机地融合在一起,形成了一个相互促进、螺旋上升的学习路径。我认为,这种整体性的视角对于理解任何一门复杂的科学学科都至关重要。在讲解理论时,作者们会提前埋下一些计算和模拟的伏笔,比如在介绍守恒定律时,就会自然地引出离散方程的概念;而在讲解计算方法时,又会紧密联系具体的流体方程,以展示其应用。到了数值模拟的部分,则更是将前面所有的理论和计算知识融会贯通,形成了一个完整的工程实践。这种“润物细无声”的融合方式,让我体会到了流体力学各个分支之间的内在联系,也避免了我在学习过程中可能出现的“知其然,不知其所以然”的困境。这本书就像一座精心设计的桥梁,将我从抽象的数学公式,顺利地带到了能够解决实际工程问题的计算平台。

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坦白讲,我一直对流体力学这个领域既好奇又敬畏。好奇的是它在航空航天、能源、气象、生物医学等众多领域的广泛应用,敬畏的是其方程的复杂性和模拟的难度。在接触《流体动力学:理论、计算与数值模拟》之前,我尝试过阅读一些介绍性的书籍,但总感觉它们要么过于浅尝辄止,无法深入;要么过于专业化,对没有一定基础的读者不太友好。然而,这本《流体动力学》给我带来了截然不同的体验。它的理论部分虽然深入,但讲解方式非常易懂,作者们善于用类比和直观的图形来解释复杂的概念,比如在解释动量守恒时,他们会详细分析流体微团在各种力的作用下的运动状态,并通过张量分析来揭示其内在规律。即使是涉及相对高深的数学工具,作者们也会给出清晰的推导步骤和物理意义的解读。这让我能够以一种更加轻松的心态去理解那些曾经令我望而生畏的公式和定理。更重要的是,这种理论的坚实基础,为我后续理解计算方法和进行数值模拟奠定了不可或缺的根基。

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当我读到《流体动力学:理论、计算与数值模拟》关于计算方法的章节时,我感到一股前所未有的清晰感。在很多其他教材中,计算方法往往被当作一个独立的数学课题来讲解,导致我很难将其与流体力学本身的物理过程联系起来。然而,这本书则完全不同。它将数值方法直接置于求解Navier-Stokes方程这样具体的流体问题之中。作者们详细地介绍了有限差分、有限体积和有限元这三大主流方法的原理、优缺点以及在处理不同流体现象时的适用性。我尤其欣赏书中对网格划分策略的探讨,例如结构化网格与非结构化网格的选用,以及适应性网格细化技术,这些都是在实际工程模拟中非常关键的考虑因素。此外,对于求解器部分,作者们也进行了深入的分析,包括迭代求解器的选择、预条件子的应用等,这些内容对于提高计算效率和保证结果的可靠性都至关重要。

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这本《流体动力学:理论、计算与数值模拟》确实是我的一个意外惊喜。在决定深入研究流体力学这个领域之前,我花了不少时间翻阅市面上能找到的各种书籍,试图找到一本既能扎实讲解理论,又能引导我理解计算方法,最终还能让我动手进行数值模拟的书。老实说,这个要求听起来似乎不难,但现实中,很多书要么理论讲解过于晦涩,让人望而却步;要么计算部分停留在概念层面,缺乏实际操作指导;更有甚者,数值模拟的部分要么过于简化,要么依赖于一些老旧的、难以复现的软件。然而,当我拿到这本《流体动力学》时,一种久违的学习热情瞬间被点燃了。书的开篇就以一种极其清晰、循序渐进的方式,从最基础的流体性质引入,比如粘度、密度、表面张力等等,这些概念的解释细致入微,即便是初学者也能快速理解。随后,作者们巧妙地将这些基础概念与宏观的流体行为联系起来,例如流线、涡线、边界层等,这些都是理解复杂流体现象的基石。在我看来,这本书最成功的地方之一,就是它能够将抽象的物理概念通过生动形象的语言和恰到好处的插图,变得触手可及。我尤其欣赏作者在讲解伯努利方程时,不仅仅是给出公式,而是通过多个不同场景的例子,比如飞机机翼的升力、文丘里管的工作原理,甚至是简单的水流从水龙头流出时的形态变化,来展示其普适性和应用性。这种“由点及面,由表及里”的讲解方式,让我对流体动力学的理论基础有了更深刻的认知,也为后续的学习打下了坚实的基础。

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真正让我惊叹不已的是,《流体动力学:理论、计算与数值模拟》在数值模拟这一部分展现出的深度与广度。这本书不仅仅是停留在一个理论框架或者计算方法介绍的层面,它更是将读者引领到了实际数值模拟的实践中。书中提供了大量的案例研究,涵盖了从经典的层流绕翼到复杂的湍流混合,再到多相流问题。对于每一个案例,作者都详细地展示了从问题设定、网格划分、物理模型选择、边界条件设定,到求解器参数调整、结果后处理以及误差分析的整个流程。这就像是一本“手把手教学”的指南,让我能够清晰地看到理论如何转化为实际的模拟。我尤其喜欢书中关于湍流模型的部分,例如RANS模型(如k-epsilon, k-omega)和LES模型,作者不仅解释了它们的物理基础,还提供了在不同雷诺数和流动状态下选择合适模型的建议,并且通过具体的算例展示了不同模型带来的计算结果差异。这本书也鼓励读者去思考模拟结果的可靠性,提供了多种评估方法,这对于避免“黑箱操作”至关重要。它让我明白,数值模拟不仅仅是输入参数然后等待输出,而是一个需要深刻理解物理过程、熟练掌握计算工具并具备批判性思维的过程。

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《流体动力学:理论、计算与数值模拟》最令我印象深刻之处,在于它如何将抽象的理论知识与生动的计算实例相结合,从而引导读者进入实际的数值模拟世界。书中提供的不仅仅是公式和推导,更是对这些工具如何应用于解决真实世界问题的详尽说明。从讲解层流在简单几何形状中的流动,到分析更复杂的湍流现象,作者们都提供了清晰的计算流程。他们会详细阐述网格的生成策略,不同边界条件的物理意义,以及如何选择合适的物理模型和求解器参数。这些内容对于想要动手实践的读者来说,是极其宝贵的。我特别喜欢书中对一些经典算例的复现与分析,比如二维方腔流动,作者不仅给出了不同情况下(不同雷诺数)的计算结果,还对这些结果进行了深入的解读,探讨了流动结构的演变规律,这让我能够更直观地理解理论知识的应用价值。这本书真正做到了理论与实践的无缝对接,让我在学习过程中既能打下扎实的理论基础,又能掌握实际的计算技能。

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当我翻开《流体动力学:理论、计算与数值模拟》的计算部分时,我立刻被其严谨的逻辑和清晰的思路所吸引。作者们并没有选择简单地罗列各种数值方法,而是将它们置于流体力学方程求解的背景下进行介绍。这意味着,我学习的不仅仅是数学上的离散技巧,更是这些技巧如何被用来解决实际的物理问题。书中对有限差分、有限体积和有限元方法的讲解,都非常详尽,从最基本的概念推导,到具体的算法实现,再到不同方法在处理特殊流动问题(如激波、稀疏波)时的优势和劣势,都进行了深入的分析。我尤其欣赏书中关于数值稳定性和收敛性的讨论,这对于任何一个想要进行可靠数值模拟的人来说都是至关重要的。作者们提供了清晰的判断标准和实际的操作建议,帮助我理解如何避免数值不稳定带来的错误结果。此外,书中还介绍了一些关于预条件子、多网格方法等高级技术,这为我进一步探索更复杂的计算流体力学问题提供了指引。

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我不得不说,《流体动力学:理论、计算与数值模拟》在计算方法这一部分的处理上,达到了一个令人称赞的高度。在我看来,理论知识的掌握固然重要,但如果不能转化为实际的计算和模拟,那么它的价值就会大打折扣。这本书在这方面做得相当出色。它没有回避流体力学方程的复杂性,而是以一种非常系统化的方式,逐步引入了有限差分法、有限体积法和有限元法等主流的数值离散技术。对于每一种方法,作者都详细地阐述了其基本原理、推导过程以及在处理不同类型流体方程(如Navier-Stokes方程)时的优缺点。让我印象深刻的是,书中对于网格生成、边界条件处理、时间推进格式选择等关键的计算细节都进行了深入的探讨。例如,在讨论有限差分法时,作者不仅仅给出了中心差分、迎风差分等基本格式,还详细解释了它们在精度和稳定性上的权衡,以及如何通过高阶格式来提高计算精度。对于初学者来说,理解这些细微之处是至关重要的,因为它们直接影响到数值模拟的可靠性。此外,书中还穿插了一些关于并行计算和GPU加速的介绍,虽然篇幅不长,但足以让读者意识到现代流体动力学计算的挑战与趋势,这对于想要在计算流体力学领域深入发展的读者来说,是宝贵的启发。

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很详细的把理论和计算一起讲了一遍。计算方面只提到了FD,没有多说其他的方法

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